0

В. Л. Пахаренко, М.М. Марчук

Матеріалознавство та технологія конструкційних матеріалів

(металургія, ливарне виробництво)

Рівне 2009

1

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Національний університет водного господарства та природокористування

В. Л. Пахаренко, М.М. Марчук

Матеріалознавство та технологія конструкційних матеріалів

(металургія, ливарне виробництво)

Навчальний посібник

Рекомендовано Міністерством освіти і науки України як навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів

Рівне-2009

2

УДК 669(075.8) ББК 34.3 я 7 П 21

Рекомендовано Міністерством освіти і науки України. (Лист №14/18-Г-500 від 22.02.2008 р.)

Рецензенти: Кравець С. В., д-р.тех.наук, професор, завідувач кафедри

будівельних, дорожніх, меліоративних машин і обладнання НУВГП;

Василенко І.І., д-р.тех.наук, професор кафедри технології металів, метрології, стандартизації і сертифікації, Львівського державного аграрного університету; Дідух В. Л.,д-р.тех.наук, професор, директор ННВ Луцького інституту непервного навчання.

Пахаренко В. Л., Марчук М.М П 21 матеріалознавство та технологія конструкційних матеріалів

(металургія, ливарне виробництво): Навчальний посібник.-Рівне: НУВГП, 2009,-179с.:іл.

ISBN

Навчальний посібник написано у відповідності до робочої програми дисципліни «Технологія конструкційних матеріалів» для студентів механічних спеціальностей немашинобудівних вузів. Він включає дві частини: металургія і ливарне виробництво. В першій частині висвітлені питання освоєння металів людиною, їх перші спроби отримання тих чи інших металів, та сучасні методи отримання як чорних так і кольорових металів. Окремим розділом розглянута порошкова металургія.

В другій частині розглянуті питання розвитку ливарного виробництва, основи технології. Наведені сучасні технологічні методи отримання виливок із чавунів, сталей і кольорових металів. Широко відображено найбільш поширений метод лиття в пісчано-глинисті форми, а також спеціальні види лиття.

Посібник відповідає затвердженій робочій програмі дисципліни „Матеріалознавство та технологія металів" та призначений для студентів вищих навчальних закладів.

Табл. 15. Іл.. 86. Бібліогр: 16 назв.

ISBN... УДК 669 (075.8) ББК 34.3 я 7 © В. Л. Пахаренко, М.М. Марчук 2009 © Національний університет водного господарства та природокористування, 2009

3

Зміст Розділ 1. Освоєння металів………………………………………………5

1.1. Перші метали в житті людини…………………………………….5 1.2. Бронзовий вік………………………………………………………6 1.3. Залізний вік…………………………………………………………6 1.4. Освоєння інших металів…………………………………………...9

Розділ 2. Виробництво сталі і чавуну………………………………….10 2.1. Перші спроби промислового отримання заліза і сталі (пудлінговий метод) ……………………………………………..10 2.2. Бесімерівський і томасівський процес отримання сталі………………………………………………………………..15 2.3. Сучасні методи виплавлення чавуну……………………………18 2.4. Фізико-хімічні процеси плавлення чавуна в доменній печі. Продукти доменного виробництва………………………...22

Розділ 3. Сучасні методи виплавлення сталі…………………………..24 3.1. Загальні положення виплавлення сталі в різних печах……..….24 3.2. Виробництво сталі в кисневих конверторах……………...….….27 3.3. Плавлення сталі в електричних печах…………………….......…29 3.4. Виплавлення сталі в мартенівських печах……………………....32 3.5. Технологічний шлях від чавуна і лому до сталі…………...……34 3.6. Пряме відновлення заліза із руд…………………………………38 3.7. Вакуумно-дуговий переплав (ВДП)…………..……....................41 3.8. Електрошлаковий переплав сталі……………………………..…43 3.9. Застосування сталей та чавунів..……………………….………..45

Розділ 4. Виробництво кольорових металів…………………………...55 4.1. Виробництво міді…………………………………….…………...55 4.2. Виробництво алюмінію………………………………..................60 4.3. Виробництво магнію……………………………….......................66 4.4. Виробництво титану…………………...……….………………...70 4.5. Виробництво нікелю……………………………………………...75 4.6. Застосування кольорових металів та їх сплавів………………...78

Розділ 5. Порошкова металургія………………………………………..81 5.1. Отримання і підготовка порошків………………….……………82 5.2. Формування порошків……………………………………………83 5.3. Спікання і обробка спечених виробів……………..…………….87 5.4. Пористі порошкові матеріали……………………………………89 5.5. Конструкційні порошкові матеріали…………………………….91

Розділ 6. Основи технології ливарного виробництва…………………94

4

6.1. Історія розвитку ливарного виробництва……………………….94 6.2. Загальні поняття ливарного виробництва……….………………96 6.3. Ефективність використання металу при литті по

зрівнянню з іншими видами обробки металів………………….97 6.4. Усадка ливарних сплавів та припуски на механічну

обробку…………………………………………………………….98 6.5. Дефекти виливок…………………………..…….………………..99 6.6. Плавильні агрегати…………………………..………..................103

Розділ 7. Ливарні властивості сплавів та їх застосування для виготовлення виливок……………………..………………………110 7.1. Ливарні властивості сплавів………………..…….......................110 7.2. Виготовлення виливок із чавунів…………………....................112 7.3. Виробництво виливок із сталі………………...….……………..115 7.4. Виробництво виливок із мідних сплавів…………….................118 7.5. Виробництво виливок із алюмінієвих сплавів………………...120 7.6. Виробництво виливок із магнієвих, титанових і

цинкових сплавів……………………………………...................122 Розділ 8. Отримання виливок в пісчано–глинистих формах………..123

8.1. Будова ливарної форми. Виготовлення стержнів…..................123 8.2. Матеріали, пристрої, інструменти та обладнання для

виготовлення разових форм……………………………….........126 8.3. Збирання форм. Плавлення сплаву і заливання форм.

Вибивання форм….……………………………………………...130 8.4. Схема технологічного процесу виготовлення виливок

в разових формах………………………………...………………134 8.5. Формувальні і стержневі суміші, їх приготування та

випробування…………………………………………………….136 Розділ 9. Спеціальні види лиття……………………………….……...151

9.1. Відцентрове лиття………………………………………..……...151 9.2. Лиття під тиском………………………………………………...157

9.3. Лиття за виплавленими моделями……………………………...163 9.4. Лиття в оболонкові (коркові) форми………………….…..........170 9.5. Лиття в металеві форми (кокілі)………………………………..173

5

Освоєння металів

1.1 .Перші метали в житті людини. 1.2 .Бронзовий вік. 1.3 .Залізний вік. 1.4 .Освоєння інших металів.

1.1 . Перші метали в житті людини Метали відносяться до числа найбільш поширених матеріалів, які людина

використовує для забезпечення своїх життєвих потреб. На протязі багатьох років людина оточувала себе металевими предметами домашнього вжитку, зброєю і прикрасами. Тому історію освоєння металів слід розглядати на фоні історичного розвитку людства.

Метали з’явились в людини не зразу, вони не є результатом революційного стрибка, а з’явились поступово на протязі перехідного періоду між кам’яним віком і віком металів.

В древньокам’яному віці (палеоліті), початок якого відділений на сотні тисяч років від нас, людина не знала металу, їй тільки траплялися шматки металу (самородки), які вона використовувала, в основному, як прикраси. Людина помітила, що на відміну від крихкого каміння, такі шматки піддаються куванню. Але про техніку обробки металів не було ще й мови. Тому можна зробити висновок: людині спочатку стало відомо золото, потім срібло, бронза і, нарешті, залізо. Правда, з золота неможливо зробити зброю, але знайомство з ним принесло людям досвід роботи з металом. Прикладом цього може бути гробниця фараона Тутанхамона, який помер в 1350 році до нашої ери. Вага лише одного саркофагу становила близько 110,4 кг золота. Важко собі уявити, що б знайшли сучасні археологи в гробницях великих фараонів, якщо б їх не пограбували.

В той час золото плавили в горнах, і майстер виливав розплавлене золото із тигля в форму, яка стояла на землі. Подача повітря до горнів виконувалася за допомогою трубок і легенів людини. Для кування металу застосовувалося каміння.

Після золота людина зустрілась з міддю, яка також знаходиться в природі у вигляді самородків. Тому зараз вчені вважають, що перед бронзовим віком йшов кам’яно-мідний. З міді виготовляли наконечники для стріл і списів. Люди відкрили, що зміцнену холодним куванням мідь знову можна зробити м’якою, якщо нагріти її на вогні. Потім люди навчились плавити мідь і виливати її в форми так, як і золото. Мідна сокира, яка була вилита у відкриту форму, була зроблена близько 4000 років до нашої ери, мідний котел, діаметром 0,5 м був знайдений в гробниці фараона Перибсена (2695-2665 рік до нашої ери). З’явилися постійні форми, в які можна багато разів розливати метал. Люди навчились паяти мідь срібним дротом.

6

При всіх своїх перевагах, мідь мала великий недолік: мідна зброя і інструменти, наприклад ножі, швидко затуплювалися. Навіть в холоднозміцненому стані міцність, зносостійкість та інші властивості міді були настільки високі, що вони могли повністю замінити кам’яні. Вирішальний крок в цьому напрямку дозволив зробити сплав міді – бронза.

1.2 . Бронзовий вік

Якщо до міді добавити олово, то отримаємо сплав, який називається

олов’яниста бронза. Крім неї існують і інші бронзи: свинцевиста бронза, миш’яковиста бронза, сурмиста бронза і т. ін.

Головна перевага бронзи в порівнянні з міддю полягає в кращих її ливарних властивостях, більшій твердості і міцності, а також в більшій міцності в результаті холодної деформації.

Датський знавець древньої історії Христіан Юргенс Томсон (1788-1865 рр.), основоположник Національного музею в Копенгагені, систематизував всі археологічні знахідки в хронологічному порядку і прийшов до звичного для нас ділення старовинної історії на три періоди: кам’яний вік, бронзовий вік і залізний вік.

Бронзовий вік, його металургія і металообробка зародилися в перших великих культурних центрах - в долинах річок Тигр, Євфрат і Ніл. В той час бронзу плавили в тиглях, які нагрівали деревним вугіллям. Необхідну температуру підтримувало роздування вогнища міхами, які замінили скляні трубки. Виготовлення бронзових дверей храмів, прикрас, зброї і предметів вжитку говорять про набуті певні знання і навички металургів. Великий попит на бронзу стимулював розвиток гірничого ремесла, а також торгівлі.

1.3 . Залізний вік

Можна передбачити, що перше залізо людина отримала з космосу, у вигляді метеоритів. Саме таке залізо знайдено в Єгипті, відноситься воно до IV тисячоліття до нашої ери і представляє собою намисто з прокованих смуг метеоритного заліза. Метеоритний метал легко відрізнити від заліза земного походження, тому що він має 8... 10% нікелю. Метеоритне залізо обробляли так як і мідь (при холодному куванні воно набуває необхідну форму і одночасно підвищує свою міцність і твердість). Для повернення металу мягкості його необхідно відпалити у вогні.

В ті часи залізо було оточене ореолом таємності, його називали “небесною міддю”. Єгиптяни завжди зображали залізні предмети синім кольором неба. Це збереглося навіть і тоді, коли залізо почали отримувати із руд (воно почало мати земне походження).

Навіть в наші дні можна знайти ножі і наконечники, які зроблені із метеоритного заліза. Американський полярний дослідник Роберт Едвін Лірі

(18ескМевигбезмет

Поассзал

(стсир

гразавподпрекожжедіс

нарвелзна

зал

856-1970) в кімосом, якиетеорит стоготовлення зз всякого нагтеорит важивВ II тисячол

оступово цінсірійських цлізними скарбСпочатку це

таль - залізородувних гор

З технологіавюрах, які вантажували давалося поедставляв сожух якої брдинами 2. ставали з печіПриблизно роду халібрілику перевагачно частішеГрецькі арх

лізні дюбелі.

1 - шах

звіті про еий привів йооріччями слзброї і інстругрівання надав біля 37 тон.літті до нашона на нього царів, який бами, які булей метал прео з малою крнах (рис. 1.1

ією сиродувндійшли до ндеревне вугіовітря для обою яму, нбув із вогнДно сиродуі через проло1500 років дов, які жили гу перед мідд. хітектори пр. Гермоген

хта; 2 - дерев

7

експедицію вого до великлугував ескументів. Вониавали йому н. ої ери залізо падала. Залжив три тили для нього ддставляв собкількістю ву)

ного процесунашого часуілля і подрібпідтриманняад якою вигнетривкої глувного горном в стінці шао нашої ери бв Закавказздю, тому що

ри будівництіз Приона (

Рис. 1.1. Сив’яні жердини

в Гренландікого метеорикімосам джи просто віднеобхідної фо

було в 15-20лізо не витіисячі років дорожчими збою ковке залуглецю). Ков

у можна озну. В робочийбнену руду. Чя горіння. готовлялася лини і закрна викладалоахти. багато заліза і і виплавляо руда з вміс

тві великих біля 200 р

иродувний гори; 3 - повітря

ю писав приту, поблизу ерелом матбивали від норми куванн

0 разів дорожіснило бронтому, слави

золота. лізо, чи дужевке залізо от

найомитися й простір гоЧерез повітряСам сиродкуполоподібріплювався ося камінням

з’явилося у ляли його з рстом заліза з

будівель задо нашої ер

рн яний канал; 4

ро зустріч змису Йорк.

теріалу длянього куски іням. Залізний

жчим за мідь.нзу. Один ізився своїми

е м’яку стальтримували в

по описах іорну шарамияний канал 3дувний горнбна шахта 1,дерев’янимим 4. Крицю

легендарногоруд. Це далозустрічається

астосовувалири), один із

- каміння

з я і й

. з и

ь в

і и

н , и ю

о о я

и з

8

прославлених зодчих еллінської епохи, побудував храм Артеміди в місті Магнезія, який за розмірами і величі поступався тільки дідонському і ефеському храмам. Барабани колон храму зроблені з білого мармуру, скріплені потужними залізними дюбелями довжиною 130 мм, шириною 90 мм і товщиною 15 мм. Як показало металографічне дослідження, дюбелі складаються із неоднорідного залізного матеріалу: одна із ділянок – сталь (має високий вміст вуглецю, що дозволяє її загартовувати), а друга – м’яке залізо високої чистоти. Міцність дюбеля складає в середньому 38 кг/мм2, тоді як у сучасної конструкційної сталі – 38.

В центральній Європі ранній залізний вік приходиться приблизно на 1000 – 450 роки до нашої ери. Цю епоху називають гальштатською – за назвою міста в Австрії, в околицях якого археологи знайшли багато залізних предметів того періоду. Поряд з залізними інструментами тоді широко застосовувались і бронзові. З заліза спочатку робили тільки зброю, а потім стали виготовляти робочі інструменти та інші знаряддя праці. Тому залізо лише в незначній мірі сприяло розвитку виробничих сил. Але по мірі поширення цей новий металічний матеріал все більше впливав на характер виробництва. Бронза також широко застосовувалася в багатьох галузях, в першу чергу для виготовлення прикрас. Вона має ту перевагу, що її можна без особливих затрат розплавляти і заливати в форму. З залізом, в якого температура плавлення значно вища, в ті часи так працювати не вміли.

В наступний період – пізній залізний вік – стало з’являтися все більше залізних предметів. Великий вклад в розповсюдження заліза внесли кельти. Європейський пізній залізний вік названий латенскою культурою (по місцевості в Швейцарії, де в основному були знайдені сліди кельтської культури).

Вже в гальштатський період виникли зв’язки між нащадками кельтів і грецькими містами-державами. Пізніше ці зв’язки і торгові відносини широко розвивалися. Всюди залишала сліди передова, для тих часів, кельтська технологія добування і переробки заліза. Велике переселення кельтів почалося на рубежі V сторіччя до нашої ери. Кельтські племена населяли східну Галію, західну і середню Германію, Англію і Шотландію на півночі, сучасну Польщу на сході. Вони досягли Балкан і Піренейського (тоді Іберійського) півострова. Кельти освоїли обробку заліза і ковалі в германських сагах мали своїм праобразом кельтських ковалів. Кельтську назву заліза “ізарнон” перейняли всі германські племена (сьогодні по-німецькі це звучить “айзен”, а англійською – “айрон”). Іберійські кельти (кельтибери) прославилися своєю сталлю. Щоб отримати особливо хорошу сталь, вони закопували залізні смуги в землю, для того щоб ті частково ржавіли, а потім метал, який залишився, проковували. Звичайне залізо в той час було неоднорідне: воно складалося з м’якого заліза і сталі. Іржа руйнувала, в першу чергу, м’яке залізо, так що описаний метод кельтиберських ковалів дозволяв отримати більш однорідну і тверду сталь.

9

Способи одержання більш твердих сортів сталі ковалі тримали під великим секретом. А секрет заключався перш за все в підвищенні вмісту вуглецю. Така сталь отримувала властивість до загартування.

Існує старовинна древньо-германська сага. Коваль Вілану своєму конкуренту запропонував підступні умови: нехай він виготовить шолом і кольчугу, а він меч, тоді буде відомо, чия робота краща. Вони взялися за роботу. Вілану розділив залізо на малі шматки і підмішав в корм гусям. Метал, який пройшовши шлунок птиці став міцнішим, тому що шлунковий сік краще діє на м’яку сталь. Також метал з’єднався з азотом, а азотована сталь більш твердіша. Шматочки заліза після гусячого перетравлення краще підходять для виготовлення мечей. Повторивши ще раз цю операцію Вілану викував меч. В день змагання Вілану встав перед своїм суперником, поклав меч на його голову і без особливих зусиль перерізав шолом, голову, кольчугу і тіло.

1.4 . Освоєння інших металів

Поряд із золотом, сріблом, міддю, оловом і залізом люди знали свинець,

ртуть, сурму і платину. Індійці Америки давно були знайомі з платиною. М’який і відносно легкодоступний свинець використовувався для різних

цілей. Відомо, що з гнутих свинцевих листів виготовляли труби, чеканили монети, медалі і печатки, виготовляли грузила для рибної ловлі. Римляни називали свинець і олово одним словом, “плюмбум”. Тільки добавляли “плюмбум” білий і чорний.

Набагато менше відома сурма – сріблясто білий з сильним блиском, дуже крихкий метал. У Вавилоні з нього виготовляли посуд. Також сурма служила як легуючий елемент при виплавленні сурмистих бронз.

Ртуть римляни називали “аргентум вівум” - живе срібло. Перша письмова згадка про неї належить Арістотелю і відноситься приблизно до 350 року до нашої ери. Ртуть застосовували для позолочення. Золото легко розчиняється в ртуті і утворює сплав – золоту амальгаму, яку наносили на виріб, який оброблювали. Потім його нагрівали, ртуть випаровувалася, а на виробі залишався шар золота. В наш час від цього процесу відмовилися, тому що пари ртуті дуже шкідливі для здоров’я. Подібний процес був покладений в основу розробленого в XVI столітті способу отримання різних металів (амальзанірування): подрібнену руду обробляли ртуттю, в якій метали розчинялися, потім ртуть випаровувалася, а метали залишалися в твердому стані.

У період розпаду Римської імперії почався перехід до феодалізму, люди вже мали великі знання в області металургії. Знали добування і переробку золота, срібла, міді, заліза, олова, свинцю, ртуті і сурми. Почали застосовувати сурмисті і миш’яковисті бронзи. З’явилися мідні сплави

(ласпл

відбувАмцен

зна

атунь). Якщолавляли з цин

2.1. Перші (пудлінго2.2. Бесімер2.3.Сучасні2.4. Фізико Прод

З стародавндновлення бев широко розмериці – до 1нтральної АфВ 90-х рокаайшли старов

Ри

о мідь легуватнковою рудо

Ви

спроби промовий метод)рівський і томі методи випло-хімічні процдукти доменн

2.1. Першзаліз

ніх часів ковезпосередньо зповсюджени890 року. В нфрики і Китаюах, недалеко винний горн

10

ис. 2.1. Старовотримання з

ти цинком, тю і чеканили

иробництво

мислового отр. масівський плавлення чавцеси плавки чного виробни

ші спроби проза і сталі (пуд

ке губчасте з руди. В X

ий. В Європінаш час сирою. від річки Одля отриманн

0

винний горн залізної криц

то вона буде и латунні мон

сталі і чаву римання заліз

процес отримавуну. чавуну в домицтва

омислового отдлінговий ме

залізо отримXVIII століттівін зберігся додувні горни м

скол в Бєлгоня заліза (рис

для і

нагадувати знети.

ну

за і сталі

ання сталі.

менній печі.

тримання етод)

мували методі цей сиродудо 1850 рокуможна зустрі

ородській обс 2.1).

золото. Мідь

дом прямогоувний процесу, в Північнійіти у народів

ласті (Росія)

ь

о с й в

)

ексIX метгігсирдер

наз(гаОтвиршв

білПовугяки

зас

отвдопзерроз

Цінність знспедиції. Вонвіці. В той талургією. Зантське прирровиною дляревне вугілляПроцес отризвою “сиродуаряче дуття тримане в сирроби з нього видко виходиНа дні горн

льш тверді –омітивши цюгіллям і тим ий і зараз слуДля управлі

сувкою, яка п Лице плавивір стікає шпомогою залрна металу рзмірів горна

Рис. 2.2. Г1 - горн

нахідки перни встановилчас тут жилЗалізної рудродне сховищя отримання я. Отримувалимання залізаувний”, томуз’явилося народувному го– ножі, соки

или із ладу. на, поряд з п– ті, що безю закономірнсамим навугужить основніння процесоприводить в р

ильника захишлак. Після 4лізних стержнразом із шла, криця могл

11

Горн з повітрн; 2 - кузнечн

ревірили і ли, що діяв віли хазари - вди в цих крще заліза (кузалізної крицли в горні куса із руди в гоу що в горн а металургійорні залізо інири, піки – не

порівняно м’язпосередньо ність, люди пглецьовуватиним конструком дуття в горух кузнечни

ищене войлоч4...8 годин нів дістають аковими частла мати вагу

ряним дуттямний міх; 3 - во

підтвердилиін більше тисвойовничі кораях було бурська магнітці є залізна рсок залізної корні увійшоввдувалося н

йних заводахнколи було недовго залиш

якими шматкконтактувалпочали збільи залізо. Це бкційним матерорні плавильй міх (рис. 2.

чною маскоюважкої ручнз горна губтинками, – ку до 150 кг

м XVI сторіччодяне колесо

при розкосячі років тоочівники, які багато, тут тна аномаліяруда, а паливкриці - губчасв в історію мне підігріте сх лише в XIне міцним і ншалися гостри

ками заліза тли з деревниьшувати зонубула сталь –ріалом. ьник або гор.2).

ю. З горна чної праці, прчасту масу, крицю. В залг. Двоє робіт

чя.

опках вченіму – в VIII -і займалисязнаходитьсяя). Вихідноювом – дрібнестого заліза. еталургії підсире повітряIX столітті).не твердим, аими, гнулися,

траплялись іим вугіллям.у контакту зсплав заліза,

рновий керує

через бічнийрацівники заяка включаєлежності відтників довго

і - я я ю е

д я . а ,

і з ,

є

й а є д о

12

обробляли крицю молотами, для того щоб ущільнити її і виділити частину шлаку. Потім крицю розділяють на частини, які проковують на наковальні і надають їй форму, необхідну для продажу.

Таким чином, розвиток горнів йшов від простих плавильних ям, які встановлювалися на відкритому місці, до шахтних печей з відкритим випускним порогом і міхом для дуття. Продуктивність ще більше збільшилася завдяки введенню викладання із цегли сиродутних печей замість подових. Подрібнену руду і деревне вугілля завантажували в піч зверху. Для виймання криці із печі потрібно відкрити її поріг, який закритий цегляною кладкою і обмазаний глиною. В XV сторіччі металурги користувалися сиродувними горнами об’ємом 1,1...1,7м3. Вони давали за добу 1200...1300 кг металу. В Росії ці печі називали домницями, від древньоруського слова “дмение”, що означало “дуття”. Ці печі “дихали” за допомогою енергії води: повітродувні міхи приводились в рух спочатку спеціальними водяними трубами, а пізніше великими водяними колесами.

В шахтній печі в одиницю часу згоряло більше палива ніж в горні і більше виділялося тепла. Високі температури в печі і привели до того, що частина відновленого заліза звільнялась від кисню, але сильно насичувалася вуглецем, розплавлялася і витікала із печі. Охолоджуючись, такий залізовуглецевий сплав мав у декілька разів більший вміст вуглецю ніж сталь. Він ставав більш твердим, але водночас і більш крихким. Таким чином, металурги стали отримувати побічний продукт - чавун. Спочатку його просто викидали, тому що під ударами молота такий метал розлітався на шматки і зробити із нього зброю чи інструмент було просто неможливо. В той же час через цей сплав кількість добротного продукту – залізної криці – різко скоротилась. Яких тільки назв не давали металурги новому сплаву в XV - XVII сторіччях. В країнах Центральної Європи його називали “диким камінням”, “гусаком”, в Англії – “свинячим залізом” (по-англійські чавун так називається і зараз), і російське слово “чушка” (чавунний виливок) має теж саме походження.

Оскільки ніякого застосування чавун не знаходив, його, звичайно, викидали. Але потім комусь прийшла в голову ідея завантажити чавун знову в піч і переплавити разом з рудою. Ця спроба зробила переворот в металургії заліза. Такий спосіб дозволяє порівняно легко отримати потрібну сталь, причому в великих кількостям. Історія не зберегла ім’я цього середньовічного винахідника, який отримав з чавуну ковке залізо, видаливши з нього вуглець. Цей процес називається в металургів “кричний переділ”.

Нововведення призвело до чіткого розподілу праці: в домницях, які в той час стали більш досконалими доменними печами, з руди виплавляли чавун, а в кричних горнах з нього видаляли вуглець, виконуючи процес перетворення чавуну в сталь – “кричний переділ”. Так виник двостадійний спосіб отримання сталі з залізної руди: руда - чавун, чавун - сталь. Це приклад, як просте збільшення розмірів обладнання (в даному випадку – сиродутних

13

горнів) призвело до принципово нової технології. Тепер попит на чавун, перш за все як на напівпродукт, який потім

перетворюється в сталь, різко збільшився. І доменні печі почали використовувати всюди. Але оскільки для доменної плавки потрібно було багато деревного вугілля, то це призвело до того, що в багатих рудою районах ліси були швидко вирубані. Особливо це стосується Англії. І металургія, залишившись без палива, пішла на збиток.

Тяжке положення, в якому опинилась в зв’язку з цим англійська промисловість, яка тривалий час займала головні позиції в металургії, змушена була шукати заміну деревного вугілля. Металурги звернули увагу на кам’яне вугілля, яким Британські острови були багаті. Але всі спроби виплавити на ньому чавун кінчалися невдачею: вугілля в процесі нагріву подрібнювалося, а це сильно сповільнювало дуття. В 1735 році Абрахаму Дербі з англійського міста Колбрукдейл вперше вдалося застосувати в доменній печі кам’яновугільний кокс і тим самим модернізувати першу ступінь процесу виробництва сталі. Кокс – це паливо, отримане з кам’яного вугілля при його нагріванні без доступу повітря при високих температурах (950 - 1050°С), при цьому вугілля не подрібнювалось, а спікалось в куски. Сьогодні без коксу неможливі ні доменна плавка, ні ряд інших металургійних процесів.

Але для переробки чавуну в сталь необхідно було деревне вугілля. Кам’яне вугілля ще не вміли застосовувати для цієї мети. Сірка, яка знаходилася в ньому, переходила в сталь і робила її непридатною. Проблему вирішив англієць Генрі Корт, який в 1784 році винайшов спосіб пудлінгування (puddle – місити, перемішувати).

В пудлінговій печі (рис. 2.3) паливо не контактує з чавуном, який переробляється.

Кам’яне вугілля 1 горить в топці, яка віддалена від горна порогом 2. Перші пудлінгові печі мали дві димові труби 4: одну безпосередньо над топкою, другу з протилежного кінця печі, над плавильним горном чи ванною 3. Пудлінгування - це очистка чавуну в полуменевій печі. Процес починається з завантаження чавуна в горн. Для того, щоб прискорити плавку, куски чавуна (вагою 10 - 30 кг, всього близько 150 кг) розміщують поблизу топки, де температура сама висока.

Приблизно через 45 хвилин чавун розплавляється. Пудлінгувальник вставляє в завантажувальне вікно 5 печі залізну штангу з крюком на кінці і проводить нею борозди по тістоподібній чавунній масі. При цьому чавун добре перемішується і поверхня ванни збільшується. Закриваючі горн і закидаючи вологий шлак, пудлінгувальник регулює температуру ванни. Крім того, в ванну добавляють пісок, який вступає в хімічну реакцію з футеровкою печі, при цьому утворюється шлак; останній окислює вуглець, і чим більше його окислюється, тим сильніше розріджується ванна і залізні зерна збираються в грудки.

розякипропродовДлпотзвазвавелпуд

сирвугпровід

нергодщоотрі пі

шезве

1 -

Пудлінгувалзділяє її на трий до кожнооковує їх в кокатній машвжиною 50 смля процесу путрібно не старити зерна і арювальну сликозернистодлінгової стаПудлінгуванродувним спгілля застосодуктивніші.дмінною якістАле зварюврівномірністьдинникової со склад цих мримати стальідігрівав коксФранцузькі

ефілдських, зернулись в па

- кам’яне вуг

льник штангри - п’ять чаої криці приковбаски діамшині розкачуюм і ще раз прудлінгуваннятільки для нгрудки залізсталь). Одного кричногоалі. ння означалопособом і крисовувалось . В результаттю. вальне залізоь складу всправи Бенджматеріалів моь, Хантсмен всом піч з дутковалі перш

завдяки своїйалату общин

14

Рис 2.3. Пугілля; 2 - порі

5 - завантаж

гою багато астин криць. Виварює залізметром 7 -10 ють в полосрокатують, ная були характнадання заготза. В результана пудлінгово заліза або

о суттєвий ичним передкам’яне ву

ті пудлінгува

о і зварювал поперечножамін Хантсмжна вирівнятвикористовувттям і високимші виготовилий твердості. Санглійського

4

удлінгова пічіг; 3 - ванна; жувальне вікн

разів перевеВони ще гаряний стерженсм і довжин

си, потім зноакладаючи потерні ці опертовці формиаті отримуємва піч за о 1600 кг м

прогрес в пілом. Замістьугілля. Пудання отримув

льна сталь мму перерізімен (1704 – 1ти шляхом певав тигель із м горном. Цеи із литої стСтаршини шео парламенту

ч: 4 - димова трно

ертає масу іячі попадаютнь дюймовоїною 50 см. Ціову розділяюо 4 полоси одрації прокатки, скільки длмо зварювальдобу давал

мілкозернисто

порівнянні з ь дефіцитногдлінгові печвали зварювал

мали суттєви. Англійськ

1776) прийшоереплавки. Двогнетривкое принесло усталі ножі, якіефілдського у з проханням

руба;

і під кінецьть до коваля,ї товщини, іі заготовки вють на кускидна на другу.ки криць, якіля того, щобне залізо (чила 3500 кгого заліза –

попереднімго деревногочі набагатольне залізо з

ий недолік –кий майстеров до думки,Для того, щобого матеріалуспіх. і були кращіцеху ковалівм заборонити

ь , і в и . і б и г –

м о о з

– р , б у

і в и

15

вивіз із країни литої сталі. Їх прохання було відхилено. Тоді шефілдським ковалям довелося переглянути свої погляди на литу сталь. Виробництво стальних виробів в Англії стало швидко розвиватись. Значно розширився експорт не тільки готових стальних виробів, але і стальних злитків

Високоякісна тигельна сталь мала добрі властивості в литому стані. Після винаходу Хантсмена, через 100 років з них робили паровозні осі, гарматні стволи. В 1851 році на Лондонській всесвітній виставці був показаний стальний злиток вагою 2150 кг. Для того щоб отримати таку виливку, прийшлось зливати в міксер (копильник) розплавлену сталь із багатьох тиглів ємністю по 45 кг кожний

В епоху промислової революції потреба в залізі настільки виросла, що її не міг задовольнити і пудлінговий процес. Різні нові технічні застосування пудлінгового заліза показали, що воно не витримує великих навантажень. Наприклад, локомотиви стали важчі і швидкохідніші, і рейки, які виготовлялись із пудлінгової сталі, все частіше руйнувались. Назріло питання отримання більш якісної сталі.

2.2. Бесімерівський і томасівський процес

отримання сталі Основоположником сталеплавильного виробництва є Генрі Бесімер (1813

– 1898). Свої перші досліди він проводив в закритому тиглі 1, продуваючи розплав 2 повітрям через введену зверху трубку 3 (рис. 2.4). Тигель був встановлений в печі 4 для того щоб надати йому додатковий підігрів, який, як з’ясувалося пізніше, був непотрібний. В 1885 році Бесімер вперше отримав ковке залізо (сталь) шляхом продування повітрям 5 кг сирого чавуну, який розплавлений в тиглі з вогнетривкої глини.

Виявилось, що при продуванні повітрям розплавленого чавуну він не тільки не охолоджується, як думали раніше, але навпаки його температура зростає настільки, що ванна залишається рідка, не дивлячись на те, що сталь, яка утворилась з чавуну має вищу температуру плавлення. В 1855 році Бесімер отримав англійський патент на свій винахід. Прусське патентне відомство в Берліні відмовились видати йому патент, мотивуючи свою відмову слідуючим чином: “не можна нікому заборонити продувати повітря через рідке залізо” – приклад нерозуміння суті технічного прогресу.

Новий процес отримання сталі з чавуну без палива і печі пройшов довгий час, перш ніж стало зрозуміло, що добру сталь дає тільки малофосфористий чавун. Якщо чавун має багато фосфору, то продукт отримується гіршим, ніж ковке залізо, - він стає “червоноламким” і “холодноламким” (крихким в гарячому і холодному стані). Завдяки цьому бесімерівський процес (рис. 2.5) поширювався дуже повільно – спочатку він був прийнятий в Швеції, потім - в Австрії і пізніше в Англії. Широкому його поширенню протидіяло те, що він потребував малофосфористого чавуну.

гру

Рис 2

Чавун 1 з мушоподібну ф

1 - чавун;

2.4. Продуван1 - тигл

малим вмістоформу 2 (є п

Рис 2.5. Бес; 2 - тигель; 3

16

ння чавуну пль; 2 – розпла

ом фосфору,прототипом с

сімерівський 3 - кисла футе

6

повітрям для ав; 3 - трубка;

, завантажувучасного кис

процес отримеровка; 4 - ца

отримання ст; 4 - піч

вався в тигелсневого конв

мання сталі:апфа; 5 - шла

талі:

ль, який мавертора). Цей

ак; 6-вікно

в й

17

конвертор мав кислу футеровку 3 і повертався на цапфі 4 при виливанні отриманої сталі. В конверторі шлак 5 збирався в верхній частині. Продування виконувалось через трубку, яка вводилась через вікно 6.

Широке застосування цього процесу стримувалось проблемою очистки чавуну від фосфору. Серед багатьох металургів, які вирішували цю проблему, першим досяг успіху Сідней Джілкріст Томас (1850 – 1885). Томас мав дві спеціальності. Він служив писарем в лондонському поліцейському суді, чим заробляв собі на життя, і одночасно вивчав хімію і металургію в гірничому училищі, де й зацікавився проблемою виведення фосфору із чавуну.

Немає суттєвої різниці між бесімерівським і томасівським процесом. В основі обох лежить один і той же принцип: чавун, з якого отримують сталь, очищують, продувають через нього повітря. Місткість, де проходить реакція (конвертор), має грушоподібну форму з відкритою горловиною зверху і має можливість нахилятись завдяки горизонтальній осі – цапфі (рис. 2.5).

Основна різниця між цими процесами в тому, що бесімерівський конвертор всередині викладений кислою (за хімічним складом вогнетривкою футеровкою) і в ньому неможливо виділити фосфор з чавуну в основний шлак тому, що такий шлак швидко роз’їдає кислу футеровку. Томасівський конвертор всередині викладений основною футеровкою, тому, додаючи вапно, отримуємо основний шлак, який добре виводить фосфор з чавуну і не роз’їдає футеровки.

Конвертор дозволяє за 20 хв. перетворити в сталь 20 т чавуну. Для виробництва такої кількості сталі в горні способом кричного переділу потрібно було б 3 тижні, а в пудлінговій печі – тиждень.

Бесімерівський і томасівський конвертори були необхідні для масового виробництва сталі загального призначення, тоді як високоякісні спеціальні сталі продовжували виплавляти в тиглях.

Брати Вільгельм і Фрідріх Сіменси винайшли регенеративний спосіб підігріву печей, і після того, як був отриманий патент на цей винахід, була побудована перша піч. Суть регенеративного підігріву полягає в попередньому підігріві повітря, яке необхідне для горіння палива. Для підігріву використовувався газ, який відходив під час горіння і є продуктом горіння. Для цього через деякий проміжок часу повітря направляється то через один, то через другий регенератор (коли повітря для горіння проходить через один регенератор і охолоджує його, саме нагрівається, гази, які відходять, підігрівають другий регенератор). В дослідній печі братів Сіменсів стальні частини всередині печі через 6 годин розплавились, а тигель, який був розміщений в топочній камері, перетворився в шлак.

Перші практичні спроби виплавити тигельну сталь в подібних печах на сталеливарному заводі в Шеффілді закінчилися невдачею (разом зі сталлю плавився тигель і стінки печі).

18

В 1846 році на одному із заводів південної Франції Сьєру Мартену (1824 – 1915) вперше вдалося зварити хорошу сталь в регенеративній печі, яку побудували при участі Вільгельма Сіменса. Шихта складалася з чавуна, який виплавлявся з гематиту – червоного залізняка з острова Ельба, чушок пудлінгового заліза і стального лому.

Мартенівський процес (німці називали його Сіменс - мартенівським) поряд з бесімерівським і томасівським визначив ще один великий крок в розвитку металургії. Цей процес зберіг велике практичне значення до наших днів для повторного виробництва сталі з лому і стальних відходів(скрапу). Цікаво відзначити, що Генрі Бесімер винайшов свій конвертор, а Вільгельм Сіменс - регенеративну піч в один і той же час і жили вони на сусідніх вулицях Лондона й нічого не знали один про одного.

Мартенівський процес отримав широке поширення після Паризької виставки 1867 року. В Росії першу мартенівську піч побудували в 1869 – 1870 роках на Сормовському заводі. В той час виробництво сталі в Англії перевищило 5 млн. т. і продовжувало швидко зростати (в середньому за рік виплавлялось 50 – 100 тис. тон).

2.3. Сучасні методи виплавлення чавуну

Чавун - це сплав на основі заліза, який включає 2,14% і більше вуглецю, а

також в незначній мірі інші домішки, в тому числі і шкідливі (фосфор і сірку). Отримують його в доменних печах з червоних, магнітних, бурих і шпатових залізняків, марганцевих руд шляхом відновлення заліза і насичення його вуглецем та іншими елементами. Основна частина чавуна (більше 80%) використовується для виплавлення сталі.

Залізні руди – це гірська порода, яка складається із хімічних з’єднань заліза (Fе2O3; Fe3O4; 2Fe2O3⋅3Н2O; FeCO3) і пустої породи (пісковику, глини, вапняку чи доломіту). До руд ставляться такі вимоги: високий вміст заліза (в межах 30 – 70%); добра відновлюваність; склад і стан пустої породи, що забезпечує легкість її видалення у вигляді шлаку; задовільна кусковатість; низька вартість.

Магнітний залізняк (магнетит) включає 40...65% заліза у вигляді магнетиту Fe3O4; червоний залізняк (гематит) – 58...60% заліза у вигляді окисла Fе2O3; бурий залізняк – 50...60% заліза у вигляді сполуки 2Fe2O3⋅3Н2O і шпатовий залізняк (сидерит) – 30...45% заліза у вигляді карбонату FeCO3. Також в доменній плавці використовують комплексні руди: хроміти, які включають крім заліза 37,5% окисла хрому, хромонікелеві залізні руди (1,5% хрому і 0,5% нікелю), титаномагнетити (0,4% ванадію і до 13% двуокисла титану).

Крім руд, в доменній плавці застосовують відходи металургійного виробництва: скрап, залізні і марганцеві шлаки, спечений рудний пил, окалина, огарки тощо. Марганцеві руди використовують для введення

19

марганцю в склад чавуна. Вони містять 25...50% марганцю у вигляді окислів МnО; Мn2О3; Мn3O4.

Поряд з рудами вихідним матеріалом для отримання чавуну є паливо, флюс і повітря. Паливом є кокс. В природі він не існує, а отримують його з кам’яного вугілля, з того, що коксується (спікається). Такого вугілля в природі не дуже багато, тому воно з кожним роком дорожчає. Це вугілля ще треба перетворювати в кокс. Процес цей складний, трудомісткий і супроводжується виділенням шкідливих побічних продуктів. Щоб по можливості не дати проникнути їм в атмосферу, воду і грунт, будуються дорогі очисні споруди.

Також в якості палива для доменних печей може застосовуватися природний газ.

Флюси використовуються для оплавлення тугоплавкої пустої породи руди і попелу палива з утворенням низькоплавкого шлаку визначеного складу, який легко витікає з доменної печі, а також для часткового переведення сірки в шлак. Так як частіше за все пуста порода має кислотний характер, то в якості флюсів застосовують основні матеріали – вапняк СаСО3, доломіт СаСО3⋅МgСО3, основний мартенівський шлак. Якщо склад породи має основний характер, то в якості флюсу застосовують кварц, пісковик тощо. Флюси не повинні вміщувати значної кількості сірки і фосфору і не більше 2...4% кремнезему і глинозему, які збільшують витрати флюсів і кількість шлаку, який отримується. Вміст кальцію повинен бути не менш 50...52%. Флюси перед плавленням подрібнюються на куски розміром 30...80мм.

Повітря забезпечує горіння палива і отримання високих температур в доменній печі. Вдувають його нагрітим до температури 980...1200°С. Разом з повітрям частково подається до 32% кисню, який забезпечує підвищення температури і різко прискорює хід плавлення.

Вихідні матеріали для отримання чавуну, які беруться в певних пропорціях, називають шихтою. Всі шихтові матеріали перед завантаженням в домну проходять певну підготовку. В першу чергу це стосується руд. Їх сортують по вмісту заліза, по величині шматків; хімічному складу тощо. Потім руди збагачують і отримують концентрат, який вміщує підвищену кількість металу. Збагачення виконується миттям, гравітаційними методами, магнітними тощо. Миття руди сильним струменем води дозволяє частково видалити пісчано-глиняну пусту породу від мінералів, багатих на залізо.

Гравітаційний метод (мокре відсадження) являє собою розділення тяжких, багатих металом кусків руди від більш легкої, пустої породи, яка піднімається у струменях води у тяжких суспензіях. Магнетити збагачують електромагнітними сепараторами після їх подрібнення.

Після збагачення руди виконується окусковування концентратів (брикетування, агломерація або отримання окатишів). Найбільш поширеним є агломерація (спікання) на потужних машинах безперервної дії продуктивністю до 3000 тон за добу. В результаті спікання шихти при

темміц

10.конбар

вон

об’про

об’білрок

зов(шроз

мпературі 12цність, добреОкусковуван

...30 мм) в бнцентрат змрабанах шихтДоменна пічна отримала вСучасна до

’ємом, який одуктивністюВ 1975 році

’ємом 5000 льше 4 млн. тки, щоб виплКорисна висвні заключнаамотною) цезпар 3, заплеч Рис. 2

00...1500°С уе відновлюєтьння можна пбарабанах, якішують з вата пересипаєтч – це вертиквід домниці, оменна піч –займає ших

ю більше 500і в Кривому м3, яка булат. чавуну. Долавити стільксота таких пеа в сталевийеглою. Внутрчики 12 і гор

202.6. Сучасна

утворюється ься і має знижпроводити мекі обертаютьсапном чи глться і скатуєткальна плавияка застосов

– це потужнхтний матері0 т чавуна заРозі почала

а побудованаомні “зразка и чавуну, скіечей досягає й кожух, а врішня будоварн 5.

0доменна піч

пористий агжений вміст стодом отримся. Для отрилиною і звоться в окатишильна піч шахувалась в Росний і високоіал (корисниа добу. а працювати а за два роки

1800 року” ільки дає кри30 м і більшвсередині фуа печі включ

гломерат, якисірки. мання окатишимання окатиоложують доші. хтного типу.сії в ХVІІІ – Iопродуктивниий об’єм) 30

найбільша ди. Кожен рікнеобхідно пр

иворізька домше. Доменна путерована воає колошник

ий має певну

шів (розміромишів дрібнийо 8...10%. В

Свою назвуIX сторіччі. ий агрегат з00...5000 м3,

домна в світік ця піч даєрацювати 24мна за добу. піч (рис. 2.6)огнетривкоюк 1, шахту 2,

у

м й В

у

з ,

і є 4

) ю ,

21

Колошник обладнаний литими сталевими сегментами, які захищають вогнетривку футерівку від руйнування при ударах шихти, яка завантажується в піч.

В верхній частині печі є завантажувальний пристрій, який включає воронку 6, малий конус 7, великий конус 8 з воронкою 9. Шихта подається на колошник по похилому мосту стрічковим транспортером 10. З нього шихта спочатку попадає на малий конус, який повертається навколо осі, для більш рівномірного завантаження. Далі шихта попадає на великий конус. Малий і великий конус опускаються не одночасно, для того, щоб запобігти викиданню доменних газів із печі в атмосферу. У великий конус через малий конус засипають певну кількість шихтових матеріалів, які утворюють, так звану колошу. В процесі опускання великого конуса колоша падає в піч. Рудну частину шихти і коксу завантажують роздільно, тому в печі утворюються два шари - коксу і рудної частини.

Для подавання визначеної кількості шихти служать бункери-дозатори 11, які подають останню на стрічковий транспортер.

В нижній частині домни знаходяться фурми 4, через які вдувається в піч нагріте повітря, або повітря збагачене киснем, а інколи – газоподібне, рідке чи пилоподібне паливо для економії коксу. Чавун і шлак безперервно стікають вниз і періодично випускаються через чавунну льотку 13 в чавуновоз 14 і шлакову льотку 15 в шлаковоз 16.

Процес доменної плавки неперервний, а завантаження шихтових матеріалів і випуск чавуна і шлаку виконується періодично за встановленим режимом. Вихідні матеріали поступають в доменну піч зверху, а в нижню частину печі через фурми 4 подається нагріте повітря 17, яке отримується із холодного дуття 18. Нагрів холодного повітря виконується в повітронагрівачі (каупері) 19. Каупер працює завдяки згорянню колошникового газу, який поступає з верхньої частини домни. Через фурми 4 також може подаватись повітря, збагачене киснем, або газоподібне паливо. Гази, які утворюються при згорянні палива, піднімаються назустріч шихтним матеріалам, які опускаються, нагріваючи їх, відновлюють і плавлять. Таким чином, піч працює за принципом протипотоку, що дозволяє повніше використовувати тепло. Монтується доменна піч на бетонному фундаменті 20, а між фундаментом і горном знаходиться лещадь (холодильник) 21.

Як правило, біля кожної доменної печі є три - чотири повітронагрівачі, які працюють поперемінно. В результаті взаємодії кисню повітря і окислів руди з вуглецем утворюється доменний газ, який піднімається вверх зі швидкістю 20...60 м/сек. Враховуючи опір матеріалів шихти тиск газів при підході до колошника знижується до 1,5...3,7 атм (0,15...0,37 МПа). Після очищення від пилу газ використовується для нагрівання повітронагрівачів, мартенівських, кузнечних, термічних печей, опалення адміністративних приміщень і як паливо для двигунів внутрішнього згоряння. Колошниковий пил, який

22

отримується при очищенні доменного газу застосовується в процесі агломерації.

2.4. Фізико-хімічні процеси плавлення чавуна в доменній печі.

Продукти доменного виробництва Під час плавлення чавуна в печі виконується два основних процеси:

відновлення заліза з окислів руди, навуглецьовування його і видалення у вигляді рідкого чавуна визначеного хімічного складу; оплавлення пустої породи руди, утворення шлаку, розчинення в ньому золи коксу і видалення його із печі.

Шихтні матеріали при завантаженні в колошник зустрічаються з температурою 200...300°С, при переміщенні вниз на рівні фурм зустрічають температуру 1800...1900°С і понижуються в горні до 1450°С. Повітря, яке вдувається через фурми, обумовлює горіння коксу за реакцією:

C + O2 = CO2 + 94052 кал (394 кДж) Зустрічаючи розпечений кокс при високій температурі, вуглекислота

відновлюється: СО2 + С = 2СО - 42012 кал (176 кДж)

Також, окис вуглецю утворюється в результаті взаємодії водяної пари і вуглецю коксу:

Н2О + С = СО + Н2 - 31382 кал (132 кДж) У верхніх горизонтах доменної печі при температурі 100...200°С

випаровується волога, а при 300...350°С видаляється гідридна вода. З палива видаляються летучі речовини. При вищих температурах (до 900°С) розкладається вапняк з виділенням вуглекислоти:

СаСО3 =СаО + СО2 - 42490 кал (178 кДж) Відновлення заліза проходить послідовно за схемою:

Fе2О3 → Fе3O4 → FеО → Fе При невисоких температурах проходить непряме відновлення руди

окислом вуглецю: ЗFе2О3 + СО = 2Fе3O4 + СО2 + 12136 кал (50,7 кДж)

Fе3O4 + СO = 3FеО + СО2 – 8264 кал (34,8 кДж) FеО + СО = Fе + СО2 + 3936 кал (16,52 кДж)

При високих температурах (>950°С) в нижній частині печі проходить пряме відновлення заліза за рахунок сажистого вуглецю, який осаджується в порах матеріалів:

FеО + С = Fе + СО – 37284 кал (155,5 кДж) Газами відновлюється близько 60% заліза, яке отримується в доменній

печі, а твердим вуглецем - близько 40%. Крім заліза, в доменній печі відновлюється кремній, марганець, сірка, фосфор та інші елементи. Відновлення кремнію і марганцю проходить при високих температурах (близько 1450°С) твердим вуглецем і потребує великих витрат тепла і палива:

23

SiO2 + 2С = Si + 2СО – 152568 кал (639,5 кДж) МnО + С = Мn + СО – 65584 кал (275,8 кДж)

Сірка, як шкідливий домішок чавуна, повинна бути якнайповніше видалена із нього. В доменну піч сірка попадає разом з шихтою (є в коксі, руді і флюсах). Близько 10 - 16% сірки вивітрюється з газами у верхніх горизонтах печі. Для видалення сірки забезпечують надлишок вапна в шлаках і високу температуру в горні. Сірка видаляється за реакцією:

FeS + СаО = СаS + FеО + 4380 кал (18,4 кДж) Сульфід кальцію, який утворився, не розчиняється в чавуні, переходить в

шлак і разом з ним виводиться з печі. Додатково сульфід кальцію видаляється після випускання його з доменної печі за рахунок взаємодії сірки з марганцем, якого для цього повинно бути в чавуні достатньо:

FeS + Мn = Fе + МnS + 21700 кал (90,9 кДж) Фосфор також є шкідливою домішкою чавуна, але його видалення з

рідкого чавуна в умовах доменної плавки є затрудненим. Фосфор, який потрапив в доменну піч разом з шихтою, розчиняється в чавуні і залишається в ньому.

Безпосередньо після відновлення в доменній печі отримується тверде пористе губчате залізо з високою температурою плавлення 1539°С. При його взаємодії з окисом вуглецю утворюється карбід заліза (цементит) Fе3С:

ЗFе + 2СО = Fе3С + СО2 + 36220 кал (150,4 кДж) Цементит розчиняється в залізі, навуглецьовує його до 4,3% і понижує

температуру плавлення до 1140...1150°С. Навуглецьоване низькоплавке залізо розплавляється, краплинами стікає в горн і по шляху розчиняє кремній, марганець, сірку, фосфор та інші елементи. Сплав, який утворився і є чавун – головний продукт доменної плавки.

Шлакоутворення повинно проходити після закінчення процесів відновлення заліза з руди, так як інакше легкоплавкий холодний шлак стікає в низ печі, захолоджує її, порушує нормальний хід плавки і призводить до зміни хімічного складу чавуна і шлаку. Узгодження процесів відновлення і шлакоутворення досягається підтриманням визначеного хімічного складу і температури плавлення шлаків, а також регулювання всього ходу плавки.

Утворення шлаку починається після опускання шихти приблизно до розпару при температурі 1200°С, коли пуста порода сплавляється з флюсами (вапном). При стіканні шлаку вниз він збіднюється окислами заліза і марганцю, збагачується вапном і набуває заданого складу.

Продуктами доменного виробництва є чавун, шлак і доменний газ. Чавун, як головний продукт, виплавляють трьох видів: передільний,

ливарний і спеціальний (феросплави). Передільний чавун іде на переплавку при виробництві сталі, його відсоток складає близько 80%. Ливарний чавун застосовується для отримання фасонних виливок і його виплавляється близько 16% від виробництва всього чавуна. Він має підвищений вміст кремнію, який покращує ливарні властивості чавуна.

24

Доменні феросплави застосовуються у виробництві сталі як присадки і як розкислювачі, в сталеплавильних печах і при виробництві чавуна в вагранках. Їх виплавляють приблизно 4% від всього виробництва чавуна. Феросплави відрізняються від передільного і ливарного чавуна підвищеним вмістом марганцю і кремнію. Розрізняють три види феросплавів: феросиліцій, з вмістом 10...15% кремнію, феромарганець, з 70...80% марганцю і дзеркальний чавун, з 10...25% марганцю.

Другим по значимості продуктом доменного виробництва є доменні шлаки, які після отримання гранулюють водою для отримання дрібнозернистої маси. Отримані шлаки використовуються для виготовлення цементу, цегли, шлакоблоків та інших будівельних матеріалів.

Третім продуктом доменного виробництва є доменний газ, який після очищення від пилу використовують як газоподібне паливо в повітронагрівачах, для опалення різних печей, нагрівання ківшів тощо.

Доменні печі працюють безперервно протягом 5...6 років, після чого їх зупиняють на капітальний ремонт. Основною причиною зупинки на ремонт є вигорання вогнетривкої футеровки. Для визначення часу зупинки домни на ремонт служить радіоактивний ізотоп 60Со, який замуровують в вогнетривку кладку в найненадійнішому місці під час будівництва або капітального ремонту печі. Періодично до даного місця підносять лічильник Гейгера, за допомогою якого виявляють γ - випромінювання. Послаблення такого випромінювання або відсутність його зовсім говорить про те, що ізотоп 60Со відійшов разом із чавуном і кладка вигоріла до критично-можливого місця, що є сигналом для зупинки печі на капітальний ремонт.

Сучасні методи виплавлення сталі

3.1. Загальні положення виплавлення сталі в різних печах. 3.2. Виробництво сталі в кисневих конверторах. 3.3.Плавлення сталі в електричних печах. 3.4.Виплавлення сталі в мартенівських печах. 3.5.Технологічний шлях від чавуна і лому до сталі. 3.6.Пряме відновлення заліза із руд. 3.7.Вакуумно-дуговий переплав (ВДП). 3.8.Електрошлаковий переплав сталі. 3.9.Застосування сталі та чавуна.

3.1. Загальні положення виплавлення сталі в різних печах

Сталь відрізняється від чавуна більш низьким вмістом вуглецю (до

2,14%). Виробляють сталь з чавуна за рахунок окислення надлишку вуглецю, марганцю, кремнію і шкідливих домішок (фосфору і сірки). Так, передільний чавун має: 3,5...4,2% вуглецю, 0,2... 1,75% кремнію, 0,5... 1,75% марганцю, до

25

0,08% сірки і до 0,07% фосфору. Сталь же повинна мати 0,05... 1,5% вуглецю, до 0,5% кремнію, 0,5... 0,8% марганцю, до 0,05% сірки і до 0,05% фосфору.

В різних видах печей кисень найбільш швидко окислює залізо, якого набагато більше, ніж інших металів.

2Fе + O2 = 2FеО + 63000 кал (264,1 кДж) Закис заліза добре розчиняється в металі і шлаці і виконує роль головного

носія кисню. Атмосферний кисень окислює шлак, а із шлаку поступає у вигляді закису заліза в метал. Підвищення вмісту кисню в шлаці супроводжується збільшенням його вмісту в металі. Кремній, марганець, вуглець та інші домішки сталі краще взаємодіють з киснем ніж залізо, тому вони відбирають кисень у заліза, відновлюють його, а самі окислюються (вигоряють). Рідкі окисли цих елементів спливають і попадають в більш легкий шлак, який покриває метал; газоподібні окисли відходять в атмосферу або з’єднуються з іншими окислами, утворюючі рідкі речовини, які також попадають в шлак. Окислення домішок відбувається за рахунок газоподібного кисню, при цьому утворюються окисли SiО2; МnО, P2О5 і які відводяться разом зі шлаком.

Si + O2 = SiO2; Si + 2FeO = SiO2 + 2Fe;

Mn + 21

O2 = MnO; Mn + FeO = MnO + Fe;

2C + O2 = 2CO; C + FeO = CO + Fe;

CO + 21

O2 = CO2;

2P + 221

O2 = P2O5; 2P + 5FeO = P2O5 + 5Fe;

P2O5 + 3FeO = (FeO)3⋅ P2O5; Шкідливий домішок – фосфор, який надає сталі крихкості при кімнатних

або низьких температурах, згоряє і утворює газоподібний ангідрид P2O5 і це нестійке з’єднання з закисом заліза важко видалити з печі, тому що при певних умовах фосфор відновлюється, переходить в метал і насичує його. Надійне видалення фосфору досягається тільки в основних сталеплавильних печах, які футеровані основними вогнеупорами. В такі печі завантажують вапно, яке не буде роз’їдати їх стінки і яке зв’язує фосфор в міцне хімічне з’єднання і переводить його в шлак:

(FеО)3⋅Р2O5 + 4СаО = (СаО)4⋅Р2O5 + 3FеО + 108340 кал(453,9кДж) Але це хімічне з’єднання при високих температурах може віддати фосфор

в метал. Тому після утворення високоосновного фосфористого шлаку його видаляють з сталеплавильних печей. Сірка також є шкідливою домішкою яка надає сталі підвищеної крихкості (червоноламкість) при високих температурах. Видалення сірки можливе лише в основних печах за рахунок добавок вапна і отримання шлаків високої основності:

26

FеS + СаО ↔ СаS + FеО – 4380 кал (18,4 кДж); МnS + СаО ↔ СаS + МnО – 7800 кал (32,7 кДж);

Підвищений вміст вапна обумовлює протікання цих реакцій в напрямку зліва направо, а підвищення вмісту в шлаці FeO або МnО –протікання цих реакцій в зворотному напрямку. Зниження вмісту сірки в сталі досягається особливо добре в електричних печах застосуванням відновлювальних карбідних шлаків, які мають графіт або карбід кальцію:

FеS + СаО + С = СаS + Fе + СО; МnS + СаО + С = СаS + Мn + СО;

ЗFеS + СаС2 + 2СаО = ЗFе + ЗСаS + 2СО; ЗМnS + СаС2 + 2СаО = ЗМn + ЗСаS + 2СО.

Таким чином, при виробництві сталі в різних печах є загальні положення: 1) застосовується кисневе продування; 2) наявність рідкого чавуна; 3) в кінці плавлення обов’язкове розкислення (феромарганцем, феросиліціумом і технічним алюмінієм).

Пояснимо процес розкислення. Закис заліза, який є носієм кисню в різних печах, необхідний в період вигорання домішок. Після цього він повинен видалитись з металу, так як подібно сірці є шкідливим домішком і надає сталі червоноламкості, знижує механічні властивості. Процес звільнення сталі від кисню, який присутній в ній у вигляді закису заліза FеО, називається розкисленням. Цей процес виконується за рахунок вуглецю, який присутній в сталі і розкислювачах, які вводяться в сталь як в кінці плавлення (перед випуском сталі) так і в період випуску. Розкислення виконується присадками в сталь феромарганцю, феросиліцію і алюмінію, які з’єднуються з киснем і відновлюють залізо. Окисли SiO2, МnО, АІ2О3 переходять в шлак. Найбільш сильний розкислювач – алюміній. Розкислення відбувається за реакціями:

FеО + С = СО + Fе; FеО + Мn = МnО + Fе; 2FеО + Sі = Sі02 + 2Fе; ЗFеО + 2А1 = АІ2О3 + 3Fe.

Нерозкислена сталь при прокатуванні і куванні буде утворювати тріщини за рахунок своєї червоноламкості.

По степені розкислення можна отримувати спокійні, напівспокійні і киплячі сталі.

При повному розкисленні отримуємо спокійну сталь. Виливок такої сталі отримується щільним, без пухирів, з концентрованою усадковою раковиною в місці додатку виливка. Спокійна сталь може мати значну кількість вуглецю (до 2%) і виплавляється в мартенівських і електродугових печах.

При неповному розкисленні отримуємо киплячу сталь (під час розливання киплячої сталі виділяється СО і сталь кипить у виливниці). Така сталь включає малу кількість вуглецю (0,02...0,3%) і розкислюється тільки феромарганцем і невеликою кількістю алюмінію. У виливку киплячої сталі в місці сконцентрованої усадкової раковини отримуємо багато газових пухирів

27

і пор. Кипляча сталь дешевша спокійної, вона майже не містить кремнію, добре штампується, але більш крихка на холоді.

Поряд з спокійною і киплячою сталлю виплавляють і напівспокійну сталь, яка розкислена меншою кількістю марганцю, кремнію і алюмінію.

Готову сталь виливають з печей у підігріті ківші, якими розливають її в металеві виливниці для отримання злитків.

3.2. Виробництво сталі в кисневих конверторах

Вперше запропонував використовувати чистий кисень для продування

сталі в 1856 році Генрі Бесімер. Але тільки в 1949 році австрійським металургам в містах Лінці і Донавиці вдалось отримати сталь в тиглі з кисневою продувкою. В 1953 році в цих містах виникли перші в світі заводи з виробництва сталі киснево-конверторним способом. В багатьох країнах світу цей процес називають “ЛД – процесом” – за першими буквами назви міст в Австрії.

При продуванні чистим киснем рідкого чавуна вуглець, марганець, фосфор, сірка, кремній та інші домішки швидко вигорають. Приблизно через 20 хв. металева ванна досягає складу, який відповідає м’якій вуглецевій сталі. Кисневий конвертор забезпечує економічний спосіб отримання сталі підвищеної міцності, а також нелегованих, цементованих і термічно покращених сортів сталі. Отримана таким чином сталь відрізняється низьким вмістом азоту, сірки і фосфору, великою чистотою і однорідністю. Доля киснево-конверторної сталі в загальному світовому виробництві сталі в 1957 році складала 1%, в 1963 році виросла до 12%, а в 80-ті роки перевищила 25%.

Киснево-конверторний процес заключається в продуванні рідкого чавуна 7 в конверторі з основною футеровкою киснем зверху через фурму 4, яка охолоджується водою. Фурма опускається через горловину 1 (рис. 3.1). В кисневих конверторах виплавляють приблизно 30% всієї сталі.

Застосування для продування чистого кисню дозволяє отримувати в кисневих конверторах сталь з вмістом азоту не більше, ніж в мартенівській сталі, і приблизно такої ж якості. Киснево-конверторний процес дозволяє застосовувати конвертори ємністю до 350 т.

Кисневий конвертор має грушоподібну форму, зовнішня частина (кожух) якого виготовлена із зварних стальних листів. Він складається із трьох частин: верхня, з формою зрізаного конуса, який закінчується горловиною 1; середня циліндрична і нижня, яка звужується з сферичним дном. Внутрішня частина стального кожуха 2 має вогнетривку основну футеровку 3 - смоледоломітову або магнезитохромову.

За допомогою цапф, які приєднані до опорного кільця або кожуху, конвертор опирається на підшипники кочення, які встановлюють в опорних станинах і може нахилятись. В верхній частині конвертора є канал 5 для

випводцілмідтрунадспекон

склзалчисрідвигкистемоки

однкрезак

1

пускання стадою, необхідльнотягнутихдний наконеуби зварюванд ванною еціального нвертора. Ко

В таких коладом. Крім лізну руду і фстий) під тисдкого чавунагорання кремсню досягаємпература виисленні домішПри продуночасно, томемнію, маргакінчується в

1 - горловина

алі, який нана для подачх труб, які вхчник (соплонням. Фурмаможна буломеханізму, нвертор немо

нверторах мчавуна в конфлюси (вапнском 12 ат (1,а. За рахуномнію, марганє 3000°С і иникає у решок. Шлак ууванні киснему що в цьомуанцю і вуглперші 5...8

3.1. Схе; 2 - стальний

льотка

28

азивається льчі кисню в конходять одна ) 6, яке кріпа встановлюєо міняти пякий зблокожливо повер

можуть перернвертор заванно, боксит і п,2 МПа) подаок кисню і нцю і фосфметал в коезультаті видтворюється зем окисленну випадку заблецю з кисне хв., а поті

ема кисневогй кожух; 3 - оа; 6-сопло; 7-

8

ьотка. Фурмнвертор, склав другу. В питься до зоється вертикапо ходу плкований з рнути, поки н

роблятись чантажують доплавниковий ається зверху закису залізору. Темпернверторі силділення значза рахунок ваня всіх домбезпечуєтьсяем. Окисленім під час п

го конвертораосновна футо-рідкий чавун

ма 4, яка охадається з трьнижній частовнішньої і ально так, щавлення за механізмом

не буде видал

авуни з різни 30% металешпат). Кисечерез фурмуза проходитьратура металльно нагріваної кількостапна і окислівмішок чавуя висока ступння кремнію продування

а: оровка; 4 - фун

холоджуєтьсяьох сталевихині фурми євнутрішньої

щоб її висотудопомогою

м обертаннялена фурма.

им хімічнимевого брухту,ень (технічноу на дзеркалоь інтенсивнелу в зоні діїається. Такаті тепла прив домішок. на протікаєінь взаємодіїі марганцюокислюється

урма; 5 -

я х є ї у ю я

м , о о е ї а и

є ї ю я

29

вуглець і відходить в шлак фосфор і сірка. Вміст фосфору і сірки знижується за рахунок введення вапна і підвищення основності шлаків.

Для зниження температури металу вводяться охолоджувачі – металевий брухт, руда і флюс. Контроль за вмістом вуглецю проводять спеціальним аналізом, тому що вуглець спочатку вигоряє повільно, а після нагріву металу вигоряння його збільшується.

Момент закінчення продування визначають за результатами експрес-аналізу проби сталі. Момент, коли треба брати пробу, визначають по кількості кисню, який використали, по виду полум’я над горловиною. Для відбирання проби продування зупиняють, фурму піднімають і конвертор нахиляють. В цей же час виміряють і температуру металу.

На кінці плавлення метал доводиться до заданого складу, розкислюється і випускається через бічний отвір (льотку), а шлак – через горловину.

Розкислювач вводять в ківш на струмінь металу. Час продувки в кисневих конверторах місткістю 300 т складає приблизно 40 хв.

При виплавленні сталі в конверторах непотрібне паливо, тому що процес відбувається за рахунок тепла екзотермічних реакцій окислення вуглецю, кремнію і марганцю.

Собівартість конверторної сталі на 3,5% нижча, ніж мартенівської, а продуктивність праці в конверторних цехах на 45% вища. Питомі капітальні затрати на будівництво конверторних цехів на 35% нижчі, ніж на будівництво мартенівських. Тому цей спосіб отримання сталі можна вважати найбільш рентабельним і перспективним. Недолік цього способу – це високе вигорання металу і підвищена витрата вогнеупорів.

3.3. Плавлення сталі в електричних печах

Місткість електричних печей складає 0,5...200 т, а продуктивність

основних середніх печей складає 12...15 т/добу. Вона підвищується за рахунок застосування кисню, який подається під тиском в 8...12 ат (0,8...1,2 МПа) залізними трубами через завалочне вікно прямо в метал або через склепіння печі фурмою, яка охолоджується водою, на поверхню шлаку. Плавлення можна інтенсифікувати, коли встановити під днищем печі статори для електромагнітного перемішування металу.

Високі температури і задовільна атмосфера електричних печей дозволяють виплавляти в них сталі високої якості з низьким вмістом шкідливих домішок, шлакових включень і газів. Це жароміцні, високоякісні інструментальні, нержавіючі, жаростійкі, шарико- підшипникові тощо.

Для виплавлення сталі найчастіше застосовується електродугова піч, в якій електрична дуга збуджується між вугільними електродами і металевою шихтою (дуга прямої дії). Схема такої печі з трьома електродами наведена на рис. 3.2. Вона працює на трьохфазному змінному струмі, тому що постійний струм викликає явище електролізу в рідкій ванні. В печах місткістю більше 5

т звіді за

розвзастаЗвеньоЕлдопелероздоппечспеподтра

завантаженнядкривається аавантаження

Піч встановзплаву привоаємодіють з альний кожухерху робочиому зробленектроди закрпомогою спектроди можзплавом метапомогою причі при опуеціальний мдається до ансформатор

1 - робочшестерні;цегла; 8 -

я шихти викоабо грейферошихти викон

влюється на оодом, який вкзубчатими х 6 з сферичнй простір пені три отворріплені в спееціального мжуть піднімалу 11 в проциводу розплаущених елекеханізм, якиелектродів

а з напругою

Рис 3.че вікно; 2 - о; 5 - зубчасті склепіння; 9

електроді

30

онується звеом. В печах мнується через

опорних ролключає електсегментами ним дном, якечі перекритри, через якіеціальних водмеханізму 1матись такицесі роботи вавлений металктродах немий блокує рв по гнучю 130...300 В.

.2. Схема дугопорні роликисегменти; 6 -- графітові еів; 11 - розпла

0

ерху за допоммісткістю до з робоче вікн

ликах 2 і повтродвигун 3, 5. На цих ке викладенотий склепінні пропущені доохолоджую10. За допомим чином, изначену відл виливаєтьсможливий, доботу привочкому кабе

гової електрои; 3 - електро- стальний колектроди; 10ав металу; 12

могою бадді 5 т склепінняно 1.

вертається длприводні шесегментах р вогнетривконям 8, яке знграфітові е

ючих електромогою цьогощоб витрим

дстань. При нся через жолодля цього оду. Електриелю від п

опечі: одвигун; 4 - пожух; 7 - вогн0 - механізм к2 - жолоб

з дном, якея нероз’ємне

ля виливанняестерні 4, якірозміщуєтьсяою цеглою 7.німається. Уелектроди 9.отримачах зао механізмумувати міжнахилі печі заоб 12. Нахилпередбаченоичний струмпонижуючого

приводні нетривка кріплення

е е

я і я . У

а у ж а л о м о

31

В тверду шихту печей вводять стальний брухт, леговані відходи, чавун, феросплави, флюси (вапно, плавниковий шпат), залізну руду, легуючі добавки і розкислювачі. Плавлення шихти проходить за рахунок тепла електричних дуг, які утворюються між електродами і металом. Температура дуги – більша 3000°С.

Плавлення сталі в основних електродугових печах проходить з повним окисленням домішок, з частковим їх окисленням або зовсім без окислення – методом переплавлення.

При повному окисленні домішок плавлення в електропечі виконується по такій схемі: заправлення поду, завалювання шихти, плавлення, окислення, відновлення і випуск сталі. Застосування кисню скорочує процес плавлення на 10... 15%. Електричний струм подається після заправлення поду і завалювання шихти. В період плавлення майже повністю окислюється кремній, алюміній, титан і частково марганець, вуглець і фосфор. Шлак в кінці періоду плавлення включає близько 40% СаО, 20% SіО2, 8% МnО, 12% FеО і до 1% Р2O5. У період окислення виконується подальше окислення вуглецю, марганцю, хрому та інших, максимально видаляється фосфор і газ, метал значно нагрівається. Окислення виконується за рахунок введення в піч руди або подачі кисню.

Після розплавлення шихти в піч присаджують руду, вапно і видаляють отриманий шлак, який має фосфор. Для більш повного видалення фосфору наводять і видаляють другий шлак, при цьому вміст фосфору знижується до 0,01...0,012%.

В окислювальний період (в процесі кипіння) вміст вуглецю знижується, видаляється азот і водень, а також сірка. Окислювальний період закінчується видаленням окисленого шлаку. У відновлювальний період проходить розкислення металу, видалення сірки і кінцева доводка хімічного складу сталі, для чого в процесі плавки беруть проби металу і шлаку. Спочатку в ванну вводять феромарганець і кокс або електродний бій, доводять вміст марганцю і вуглецю до потрібного, наводять шлак підвищеної основності, для чого вводять в піч суміш, яка включає 70% вапна, 15% плавникового шпату і 15% шамотного бою і виконують дифузійне (через шлак) розкислення сталі під білим або карбідним шлаком.

Після доведення хімічного складу і розкислення метал випускають з печі. Поряд з основними електродуговими печами працюють і кислі (футеровка

печі має основну і кислу основу). В них виплавляються вуглецеві і низьколеговані сталі для виливок, при цьому продуктивність таких печей вища за рахунок скорочення часу плавлення, також на 30...40% є меншими витрати електроенергії і вогнеупорів. Але при кислому процесі плавлення коректування складу металу більш складне, збільшуються витрати феросплавів і ставляться підвищені вимоги до обмеження вмісту в шихті сірки і фосфору. Особливістю плавлення в кислій електродуговій печі є саме розкислення металу кремнієм, який перед цим в умовах високої температури

відвипроз

Мімарпечдобпалгорводстапід

однупр

(честізавставон

1 - ванна (че6 - головк

дновлюється плавленні взкислення ме

Приблизно істкість такиртенівської пчі і витрати бового отримлива складаюріння палива дою, або обоалі в межах двищується нТакож, знижночасному сравління теплБудова март

ерінь) 1 розпінками 4 і вантаження салі. В залежнна поділяєтьс

Рис 3.3ерінь); 2 - розки; 7, 9 - кана

залізом і високоякіснихеталу (через ш

3.4. Випла

60% всієї их печей дпечі є добовумовного памання сталі ють 130...250

(в факел) абома способам

20...30 т/м2, на 25...50%. ження витракорочені витловим режимтенівської пелаву металу відкосами.

сирих матеріності від видуся на основну

32

3. Будова марзплав металу;али; 8 - регене

вуглецем з х сталей ншлак).

авлення сталі

сталі виплдосягає 900 ве отриманналива на 1 тможе доход

0 кг/т. Застосбо прямо в меми одночаснопри цьому

ат палива і птрат вогнеупмом печі. ечі наведена2, яка зверхуВ переднійіалів. Черіньу вогнетривку чи кислу.

2

ртенівської п; 3 - склепіннератори; 10 -

кремнеземанеобхідно за

і в мартенівс

лавляється в т, а основня сталі в тот сталі, яка вдити до 12 тсування киснетал через фу приводить дпродуктивніс

підвищення ппорів можна

а на рис. 3.3 у обмежена сй стінці є ь ванни має ких матеріалів

печі: ня; 4 - стінка; перекидні кл

а футеровкиастосовувати

ських печах

в мартенівсьвним показнионах з 1м2 пвиплавляєтьст/м2, а витратню, який ввоурми, які оходо збільшеннсть мартенів

продуктивнодосягти авт

і включає всклепінням 3завалочні внахил в бікв, з яких виго

5 - вікна; лапани

и печі. Прии дифузійне

ьких печах.иком роботиплощі череняся. Величинати умовногоодять в зонуолоджуютьсяня отриманнявських печей

сті печі притоматизацією

в себе ванну3, а з боків –вікна 5 дляк випусканняотовлена піч,

и е

. и я а о у я я й

и ю

у – я я ,

33

Зліва і справа від ванни розплаву розміщені головки печі 6, які необхідні для підводу горючого газу і нагрітого повітря по окремих каналах 7, для змішування і зпалювання газу на виході в робочий простір печі.

При роботі печей на мазуті вони мають тільки два регенератора 8 для підігріву повітря; головка має один канал для підводу нагрітого повітря і форсунку для спалювання палива. Отримання високих температур в зоні розплаву 1800...2000°С можливо тільки при використанні нагрітого повітря, а при роботі на газі – нагрітого газу (суміші доменного, коксувального і генераторного). Нагрівання повітря і газу в регенераторах виконується за рахунок газів, які відходять. В момент, коли в лівій головці проходить змішування палива з повітрям і поступання продуктів горіння в плавильний простір, через праву головку і канали, які з’єднані з нею, відходять продукти горіння, нагріті до температури 1500... 1600°С. Гази, які відходять після очищення твердих частин в шлаковиках, поступають в регенератори. Для регулювання напрямку руху газу і повітря в піч, а продуктів горіння – до димової труби, в каналах 9 встановлені перекидні клапани 10.

Насадки нагріваються газами, які відходять з печі до температури 1250...1300°С, при цьому проходить автоматичне переключення перекидних клапанів, після чого газ і повітря починають поступати в піч через праві регенератори і головку, а через ліві - відводяться продукти горіння.

Повітряні і газові регенератори - це камери, які викладені вогнетривкою цеглою. Піч працює поперемінно правою і лівою частиною. В нижній частині регенератор з’єднаний з каналами по яких поступає газ і повітря і відходять продукти горіння.

В залежності від складу шихти, яка завантажується в піч, розрізняють три процеси: скрап-процес, скрап-рудний процес і рудний. Скрап-процес застосовують там, де немає доменних печей і багато металобрухту (скрапу), при цьому застосовується тверда шихта, яка складається з 65...75% стального брухту і 25...35% чавуну.

Скрап-рудний процес – це процес при якому в склад твердої шихти входить скрап і залізна руда, а основною масою є рідкий чавун. По скрап-рудному процесі працюють на металургійних заводах, де є доменні печі. В цьому випадку в шихту входить 30...35% скрапу (стального і чавунного брухту), 55...60% рідкого чавуну, крім цього добавляють 10... 20% залізної руди і 5...10% вапна.

Коли для виплавлення сталі застосовують рідкий чавун (без скрапу) і залізну руду, то такий процес називається рудним.

Процес плавлення включає наступні стадії: 1) заправлення печі (очищення череня і відкосів ванни від шлаку); 2) завалювання шихти (спочатку завантажується тверда шихта –

стальний скрап, залізна руда і вапно і після їх прогрівання, рідкий чавун); 3) плавлення; 4) кипіння металу, розкислення і легування (в цій стадії плавлення

в мшл

розмарцьо(ривог

м

проходить овелика кількіде розкисле

5) випус

3

Технологічни

Продуктом міксер (накоплак, який вихМіксер 4 сзплавленому ртенівську пому розплав ис. 3.5) має мгнетривкою ш

Рис. 31 - домна; 2

опори; мартенівська

окислення докість газів і ення і, якщо пск готової ста

3.5. Технологі

ий шлях від ч

домни 1 є чапичувач) 4. Подить з домнслужить длястані з под

піч 9. Міксерчавуну чере

металевий кожшамотною це

3.4. Технолог2 - льотка дл6 - горловинаа піч; 11 - сиф

34

мішок чавунцей процес нпотрібно, легалі в ківш.

ічний шлях ві

чавуну і брух

авун, який виПобічними пни через льоткя накопиченндальшою пор має можлиез горловинужух 1 з цапфеглою.

гічний шлях вя шлаку; 3 - ла; 7, 10 - ківшфонна розлив

стальний з

4

у, при окисленазивається гування);

ід чавуну і бру хту до сталі н

ипускається чпродуктами дку 2 і колошння чавуну вдачею в кисивість нахилу 6 виливаєтьфами 2. З сер

від чавуну і бльотка для чаш; 8 - кисневика сталі; 12 -зливок.

енні вуглецюкипінням ме

рухту до стал

наведений на

через льотку 3доменного виниковий газ.в великих ксневий конвлитись на опься в ківш 7редини ківш ф

брухту до стаавуну; 4 - мікий конвектор стриперний

ю виділяєтьсяеталів. Потім

лі

рис. 3.4.

3 і подаєтьсяиробництва є

кількостях уертор 8 абопорах 5, при7. Зовні ківшфутерований

лі: ксер; 5 - р; 9 - кран; 13 -

я м

я є

у о и ш й

межбілмет3. Цякисебзменедмо

перпечпервил

Сталь з мікжах 0,5...375льш повноготалу. ВипускЦей отвір пеий приводитьбе стержень 8еншується мдоліків сліджливість застРідкий чавуретворюєтьсячі 9. З марреміщується ливниці 3 (ри

1) 2) 3)

велики

1 - металко

ксера поступ т і більше. видалення кання металу ерекриваєтьсяь в рух стоп8 шток 7 можливість пд віднести втигання йогоун в кисневоя в сталь. Тартенівської пна дільницю

ис. 3.6), які мквадратні бквадратні з восьмигран

их виливок.

Рис.3левий кожух;орок; 5 - упор

35

ає в ківш звеСталь витримгазів, частинз ківша викоя вогнетривкпорний присті упор 5. Ппопадання ввеликий напо в стопорномому конвертоакож сталь мпечі і киснею розливаннможуть бути:без дна; дном і утепл

нні з утепле

.5. Сталерозл; 2 - цапфа; 3 р; 6 - важіль;

ерху. Місткісмують в ківшнок шлаку іонується череким корком 4трій. СтопорнПри такому в неї шлакупір металу му отворі. орі 8 за рахуможе бути оевого конверня металу. Рі

лені додатковною додатко

ливочний ківш- стаканчик;7 - шток; 8 –

сть ківшів знші протягом і зниження ез отвір в дні

4 за допомогоний пристрійспособі випуу, але є і нпід час ви

унок продуватримана в мртора сталь ідку сталь р

вою надставковою надста

ш: 4 - вогнетри

– стержень.

находиться в5...15 хв длятемпературиі (стаканчик)ою важеля 6,й включає вускання сталінедоліки. Доипускання і

ання киснеммартенівській

ківшем 10озливають у

кою 1; авкою 2 для

ивкий

в я и ) , в і о і

м й 0 у

я

засвос

встчасшввогмоспоПррозотрусароздодметпаліндметзвесиф

Виливниці

стосовують дсьмигранні –Для того, щтановлюють стиною виливидкості охолгнетривкою жливі максимособи розливри розливаннізкисленої) сримують щіладкова раковзмірів відходдаткову часттал малотеплльниками, едуктивним нталу у виливерху кількістфонному розл

1 - квадрнадставкою

виливають для отриман

– для поковокщоб через нна масивни

ивниці і слулодження додцеглою. В мальні і мінімвання сталі ві сталі зверхусталі. При льним, а в двина, яка рду і додатктину виливклопровідних електричноюнагрівом; повниці; вигототь неметалевливанні.

Рратні без дна;ю; 3 - восьмиг

36

з чавуна, рня виливок к. нижню частиий піддон, ужать для фодаткової частосновному мальні виливв виливниці у отримують розливанні

додатковій чазом з додаків в виливка підігріваюсумішей, або

ю дугою, понижують товляють виливих включен

Рис 3.6. Види ; 2 - квадратнгранні з утепл

великих в

6

рідше з стална прокат і

ину виливнипри цьому ормування втини надставквага виливовки вагою від– зверху і знвеликі виливспокійної

частині утворатком видалках видаляютють за рахуно сумішей, якпропусканнямемпературу ивниці ширшнь у виливц

виливниць:ні з дном і утеленою додатквиливок

лі. Квадратнпоковок; ш

иці не витікдодаткові н

виливка. Дляки викладаюток становитьд 0,5 до 25т. Мнизу (у виглвки з спокійнсталі зверрюється сколяється. Длять додатковінок засипаннкі горять (FеSм струму чі швидкість

ші зверху. Приці буде менш

еплені додаткковою надста

ні виливницішестигранні і

кав метал, їїнадставки єя зменшеннять в серединіь 6...8т, алеМожливі дваляді сифону).ної (повністюху виливоконцентрованая зменшенняі надставки;ня зверху наSі), газовимичерез шлак,ь заливанняи розливанніша, ніж при

ковою авкою для

і і

ї є я і е а

ю к а я ; а и , я і и

вилрозабо

вст2. ванмосилракуса

пробезРіднадкриохомір

На рис. 3.4 пливки середзкисленої) сто знизу (рис. Розливання тановлюютьсДля запобігантаж 6. Метаже заповнювльніше розігковини в сталадкових пор,

Для збільшогресивний зперервного дка сталь з кідходить в исталізаторі олодження врні відрізки г

1,2 - ливнико

показана сифдньої і малталі. При цьо3.6). сталі знизу

ся на чавунниання руйнуваал поступає чвати від 2 до 5грівається нилі, яка кипитякі заварюю

шення вихоспосіб розрозливання свша 1 попадамідний криутворюється

водою, заготгазовим різак

Рис 3.7.ові канали; 3

37

фонна розливлої ваги із ому застосов

у (сифоном) ий піддон 3, ання ливникоерез централ50 виливницьижня частинать, отримуєтьються при її пр

оду придатнзливання стсталі, схема ає в додатковисталізатор я кірка 4 виовка протягуком і подаєтьс

. Розливка ст- чавунний п

6 - ван

7

вка сталі 11. Цспокійної і

вуються вили

показана нав якому проових каналівльний ливникь. При розлива виливки і ься велика кілрокатуванні.

ного металуталі. Цей цього процевий накопичу3, який охилитої заготоується роликся на прокату

талі знизу (сипіддон; 4 - вилнтаж

Цим методомі киплячої ивниці розши

а рис. 3.7. Воходять ливнив в піддоні зковий канал 1ванні сталі цизамість сконлькість газов

у застосовуспосіб отрсу наведена уючий пристрхолоджуєтьсяовки. Після ками 5 і розування.

ифоном): ливниці; 5 - н

м отримують(неповністюирені зверху

Виливниці 4икові канализастосовують1 і одночасноим способомнцентрованоївих пухирів і

ують більшимав назвуна (рис 3.8).рій 2, з якогоя водою. Вподальшого

зрізається на

надставка;

ь ю у

4 и ь о м ї і

ш у . о В о а

загзагканвисвитвідвил

стрпод

пол

Мінімальни

готовки складготовок перерналів в устансоку продуктрати сталі, дпадає необхливницях. При розлириперному вдальшому гар

Значне подловини всіх з

Рис1 - ківш; 2 -

й переріз здає 0,5...2,5 мрізом 165х10новці може бктивність прапідвищуєть

ідність в вел

иванні сталі відділенні спрячі виливки

3.6. Пр

дорожчання затрат при ви

с 3.8. Схема н- накопичуюч

вилитої з

38

заготовки 17м/хв. На одн000 мм продубути більше аці, малу соься вихід прликих обтиск

знизу (сипеціальним си транспортую

Пряме відновл

коксу (на йиплавці чаву

неперервногочий пристрійзаготовки; 5 -

8

75х420 мм. ноканальній ууктивність д8 штук. Цейобівартість і ридатного мкних станах

фоном) вилстриперним кються на візк

лення заліза з

його долю ну) ставило п

о способу розй; 3 - мідний к- ролики; 6 - ф

Швидкість установці приосягає 70т/гой вид розливзнижені ек

металу. Для типу блюмін

ливниці видкраном 12 (ку до прокатн

руд

приходитьсяперед вченим

зливання сталкристалізаторфіксатор

витягуванняи розливанніод. Кількістьки сталі маєсплуатаційніцього виду

нгів, а також

даляються в(рис. 3.4). Вного стану.

я приблизноми всіх країн

лі: р; 4 - кірка

я і ь є і у ж

в В

о н

39

питання: чи можна отримати сталь із руд, виключивши проміжну стадію – отримання чавуну.

Проблемами безкоксової металургії займався ще основоположник сучасного матеріалознавства Д. К. Чернов. В кінці XIX століття він запропонував оригінальну конструкцію шахтної печі, яка б виплавляла не чавун, а залізо і сталь. Прихильником бездоменного виробництва був і Д. І. Менделєєв. Він писав: “Я полагаю, что придет со временем опять пора искать способы прямого получения железа и стали из руд, минуя чугун”.

Перша відносно вдала промислова установка для прямого отримання заліза була побудована в 1911 році в Швеції по проекту інженера Є. Сьєрина. Перевагою цієї технології було те, що відновлювачем, який відбирає у заліза кисень, служили відходи вугільного і коксового виробництва (кам’яновугільний пил і дрібні фракції коксу), а сама піч опалювалась дешевими сортами вугілля. Якість сталі була висока, але ця технологія не отримала широкого поширення, тому, що процес продовжувався декілька днів і конкурувати з добре відпрацьованими “дуетами” домна-мартен чи домна-конвертор шведська установка не могла.

Наступний крок в розвитку нової технології зробив шведський інженер М. Виберг в 1918 році, коли він запропонував вести процес відновлення в шахтній печі, використовуючи для цієї мети горючий газ, який включає окис вуглецю і водень. Цей спосіб дозволяв перетворювати руду в 95% залізо, але він мав суттєвий недолік – вихідним матеріалом для отримання відновлювального газу служив кокс, а для його газифікації потрібні були складні і дорогі пристрої - електрогазогенератори.

В кінці 50-х років металурги прийшли до висновку, що в ролі відновника в процесах прямого отримання заліза повинен виступати газ – шлях, який запропонував Виберг. Однією з пропозицій було використовувати газ електросталеплавильних цехів, який раніше викидали в атмосферу. Інші пропонували в шахтній печі, де проходить відновлення заліза, гарячий газ направляти в рекуператор і віддавати своє тепло газу-відновлювачу, який поступав туди. В 60-х роках замість утилізованого електропічного газу почали використовувати природній. Він коштував дорожче, але тепер установка для прямого отримання заліза не залежала від інших металургійних агрегатів і могла діяти самостійно в любому місці, куди потрібно провести трубопровід для природного газу.

До отриманої руди з високим вмістом заліза (від 34 до 70%) добавляється глина, яка в барабанних окомкователях зліплює частинки концентрату в кульки діаметром 10...20 мм. Необхідна міцність окатишам надається відпалом у конвеєрній машині. Відпалені окатиші мають приблизно 67% заліза.

Відпалені окатиші поступають у 64-метрові циліндричні башти 1 з внутрішнім діаметром 5 метрів (рис. 3.9). Це установка металізації окатишів, де проходить пряме відновлення заліза. Окатиші поступають у приймальний

приопувід

залпідпер500пер

замприякиатмвик

1-циліндри

истрій стрічкускаються вдновлювальни

В реформа

лишається неддається вуретворюютьс0...800°С леретворюютьсВесь процес

мкнутій систеи температурий поступає мосферу викикористання т

Рис 3.9. Уична башта; 2

6

ковим конвеєв шахту під ий газ СО + Н

аторах прире більше 5..углекислотніся в окис вегко відбирся в металізовс, включаючиемі: колошнирі 400°С і вв установку

идається тільтепла.

40

Устоновка ме2, 9-стрічкові6-скрубер; 7-к

єром 2. Далі пдією власн

Н2, який отри

родний газ ..10 молекулій конверсвуглецю і ворають у завані (в них біи підготовкуиковий газ чевикористовуєу по трубопьки дим із між

0

еталізації окаі конвеєри; 3компресор.

по трубах, якної ваги. Наимується в ре

очищуєтьсял сірки на мії: метан одень. Ці сиаліза кисеньільше 90% зау газу і відноерез трубопрється для конпроводі 4 пржтрубного п

атишів ,4,5,8-трубоп

кі розміщені вазустріч їм еформаторах.

я від сіркимільйон молта інші

ильні відновь і окислеаліза). влення залізаровід З відходнверсії прирри температупростору рефо

проводи;

веєром, вонипіднімається.

и (в ньомуекул газу) івуглеводні

влювачі приені окатиші

а, протікає вдить з шахтиодного газу,урі 900°С. Вормера після

и я

у і і и і

в и , В я

41

Частина відновлювального газу відбирається через трубопровід при температурі 400°С охолоджується водою в скрубері 6 і компресором 7 через трубопровід 8 при температурі 40°С нагнітається в нижню частину установки 1.

Металізовані окатиші постійного хімічного складу – найкраща шихта для виплавки високоякісної сталі. Процес виплавки виконується в 150-ти тонних дугових печах електросталеплавильних цехів, куди окатиші подаються з цеху металізації по стрічковому транспортеру 9.

Злита з електродугової печі в ківш сталь продувається аргоном і рафінується. Це додатково підвищує якість металу.

Звільнившись від газів та інших шкідливих домішок метал розливається на машині неперервного лиття в сортові заготовки.

Бездоменна металургія має ряд суттєвих переваг: 1) нова технологія дозволяє відмовитись від коксу, а значить

від складного господарства коксохімічних, агломераційних і доменних цехів;

2) доменна плавка з потоками чавуну і шлаків замінюється більш простим в управлінні і обслуговуванні процесом металізації окатишів;

3) отримана електросталь включає значно менше сірки і фосфору (чистота сталі забезпечує високі механічні, фізичні і технологічні властивості). Сталь отримана таким способом має гарні показники ударної в'язкості, пластичності, магнітні характеристики, температурний поріг крихкості при низьких температурах.

Для бездоменної металургії характерні висока культура виробництва: відсутні такі атрибути традиційної технології, як пил, шум. Процеси, які базуються на прямому отриманні заліза легко піддаються механізації і автоматизації. Установки для металізації окатишів не наносять шкоди навколишньому середовищу, так як доменні і коксові печі, які викидають в атмосферу сірчані гази, феноли і ціаніди.

3.7. Вакуумно-дуговий переплав (ВДП)

Техніка завжди потребувала метал високої якості, але в даний час постало

питання надійності металу. В нових умовах екстремальних температур, навантажень і перевантажень, агресивних середовищ і радіації працює метал. Справитись з такими питаннями класична металургія по самій своїй природі просто не може.

Надійність і якість сталі залежить від наявності в ній шкідливих домішок, газів, неметалевих включень, рівня їх концентрації, характеру розповсюдження і розподілення. Так виникло поняття “чиста сталь”. В лабораторних умовах отримати таку сталь неважко. Міцністні

харум

(ВД

горякиагрвилвод

хар(ел

у

витотр

напная

рактеристикиовах. Ряд розвинуДП) електродСуть цього рить дуга міжий отриманирегаті, і лунколивниці 6 в рдою. Плавлення ерактер. Вакуулектрод, що в

1 - вакуумнауправління; 5

Загальне утрачається, примана спіканПо мірі розплавляється явності вакуу

и цих сталей

утих країн Захдів, що витрапроцесу заклж кінцем меий по звичайою рідкого мрезультаті ро

електроду, яум в печі 1 ствитрачається)

Рис 3.10. Сха камера (піч)5 - електрод,

правління впредставляє нням брикетіплавлення завиливок пеуму проходи

42

й на порядок

ходу пішли шачаються (рислючається в талевої заготйній технолометалу 7. Цейозплавлення з

як і при дуготворюється в) закріплюєть

хема вакуумн); 2 - електротщо витрачаєт

рідкого м

виконується собою шихтів або порошаготовки з віереплавленогить одночасн

2

к вищі ніж в

шляхом вакуус. 3.10). тому, що в втовки (електрогії в звичайй метал утворзаготовки. Ви

овому зварюввакуум-насосься в електро

но-дугової устримач; 3 - вться; 6 - міднметалу

пультом 4.ту для вакуушків відповіднідповідною шго металу. но два процес

в реальних п

умно-дуговог

вакуумній карод, що витрйному сталепрюється в сериливниця ох

ванні носитьом 3. Металеотримачі 2.

становки: акуум-насос;на виливниця

. Інколи елумно-дугової ного складу.швидкістю в В печі (ВДси – видален

промислових

го переплаву

мері (печі) 1рачається) 5,плавильномуредині мідноїхолоджується

ь крапельнийева заготовка

; 4 - пульт я; 7 - лунка

лектрод, щоплавки, яка

виливниці 6ДП) завдякиння з кожної

х

у

, у ї я

й а

о а

6 и ї

43

каплі електродного металу газів, які розчинені в ньому – водню, кисню, азоту а також випаровування ряду домішок, в тому числі легкоплавких і тих які мають високу пружність пару. Деяка кількість газів і домішок продовжує видалятись і з ванни рідкого металу, який утворюється шляхом зливання капель електродного металу. Наплавлення виливка проходить відносно повільно. В сталому процесі зберігається квазірівноважний стан: об’єм металу, який кристалізується залишається постійним і в кожний момент часу він рівний об’єму розплавленого електродного металу. Кристалізація металічного розплаву в виливку ВДП носить чітко направлений осьовий або осьовораціональний характер на відміну від яскраво вираженої радіальної структури первинної кристалізації в звичайному виливку.

Печі працюють на постійному струмі напругою близько 80 В. Щільність струму, який застосовується, складає близько 500 А/см2 перерізу виливка. Електрод, що витрачається (шихта), служить катодом, а отриманий в мідній виливниці виливок чистого металу – анодом. Між електродом і рідким металом в виливниці утворюється електрична дуга, тепло якої забезпечує безперервне розплавлення заготовки. З рідкого металу в умовах вакууму видаляються гази і домішки. Таким способом отримують виливки жароміцних сплавів, а також виливки таких, металів, як молібден, титан, цирконій тощо діаметром 300...600 мм і вагою 0,9...5,5 т.

Недолік вакуумного плавлення з електродом, що витрачається є складність обладнання і висока вартість металу, який виплавляється.

3.8. Електрошлаковий переплав сталі

Для таких металів як цирконій, ніобій і титан необхідний ВДП, а для

жароміцних сплавів найбільш ефективним є електрошлаковий переплав сталі (ЕШП). Цей спосіб, розроблений Інститутом електрозварювання ім. Є.О. Патона, дозволяє рафінувати сталі без застосування вакууму. Перша піч ЕШП була побудована і введена в експлуатацію в 6-му сталеплавильному цеху заводу “Дніпроспецсталь” в травні 1958 року, вже через рік почали працювати електрошлакові печі і виник перший в світі цех ЕШП.

З цього моменту веде свій відлік історія нової галузі промисловості – “спеціальна металургія”, яка випускає метал особливо високої якості і особливої надійності. За допомогою цього процесу випускаються сьогодні сотні і тисячі тон відмінного металу у вигляді листа, сортового прокату, труб тощо із сталей і сплавів практично всіх класів і структурних груп.

Основна перевага ЕШП перед ВДП – більш високий вихід придатного металу, нижчі капітальні затрати і текучі витрати, більш висока технологічність при гарячому і холодному переділі (при практично рівній якості і надійності).

Спрощена схема електрошлакового переплаву сталі наведена на рис. 3.11.

набелерозпевперутввис200відохо

придобвзастараз

інс

Р1 - тигль;

прист Електроди зближуються ектродами і сзплавляєтьсявної висоти, реходить у ворюється засокий електр00°С. В перед домішок і утолоджується По мірі ристроєм 4 звбавки вводяаємодіє з силалі. Вміст сірзи. Методом

струментальн

Рис 3.11. Схе; 2 - шар метатрій; 5 - дозат

з сталі, які плдо сухарів

сухарями виня і утворює шелектроди збездуговий

а рахунок прричний опір.егрітому шлатворює шар 2водою. При розплавленняверху вниз яться із дозально перегрірки знижуєть

ЕШП вигона, шарикоп

44

ема електрошалу; 3 - електтор; 6 - шар ш

лавляться 3 і(виступів) никає електршар шлаку 6занурюють уі протягом

роходження . Шлак награці метал еле2. Цей шар шцьому утворюя електродіі разом з тиатора 5. Меітим шлакомься на 30...50

товляється підшипников

4

шлакової перетроди, які плашлаку; 7 - під

і які рафінуюпіддона 7.Пична дуга. За6. Після тогоу рідкий шлам всього прструму черерівається приектродів розшвидко кристюється зливов вони пеим опускаєтьетал електром, при цьому0%, інших шк

сталь спецва тощо. Ц

еплавки сталіавляться; 4 - пддон; 8 - злив

ються на почаПри подачі на рахунок тепо як шар шлак, дуга гасироцесу перепез шар шлаки цьому до плавляється,талізується в ок 8. ересуваютьсяься і зливокодів після ру проходить кідливих дом

ціального пЦя сталь в

і: подаючий вок

атку процесунапруги міжпла дуг флюслаку досягнеиться процесплаву теплоку, який маєтемпературиочищуєтьсятиглі 1, який

я подаючимк 8. Легуючірозплавленнярафінуваннямішок в 2 - 3

призначення:відрізняється

у ж с е с о є и я й

м і я я

я

45

відсутністю грубих включень, високою щільністю, чистотою поверхні, відсутністю тріщин, пор, високими і однорідними механічними властивостями.

3.9.Застосування сталей та чавунів

3.9.1. Вуглецеві конструкційні сталі звичайної якості Сталі звичайної якості містять підвищену кількість шкідливих домішок –

сірки і фосфору. Сірка викликає в сталі явище червоноламкості, фосфор – холодноламкості. По ГОСТ 380-88 сталі звичайної якості діляться на групи А, Б, В. У марках киплячих сталей є індекс "кп", в напівспокійній - "пс" і в спокійній - "сп". Сталі групи А постачаються по механічним властивостям. Ці сталі маркуються буквами Ст. і цифрами 1, 2, 3, 4, 5, 6 (табл. 3.1).

Таблиця 3.1 Призначення вуглецевої сталі звичайної якості

(ГОСТ 380-88, група А) Марка сталі Область застосування

Ст0 Невідповідальні будівельні конструкції, огорожі, настили, сходові марші, арматура, прокладки, кожухи

Ст1сп Ст1пс Ст1кп

Деталі, які потребують високої в'язкості і низької твердості матеріалу: анкерні болти, заклепки, жорсткі зв'язки, зварні деталі

Ст2сп Ст2пс Ст2кп

Деталі металоконструкцій, малонавантажені кріпильні деталі, ланцюги, фланці; деталі, які цементуються: валики, осі, кулачки, зварні деталі

Ст3сп Ст3пс

Ст3кп Ст3Гпс

Деталі металоконструкцій: балки, ферми, конструкції підйомних кранів, крюки кранів, деталі, які цементуються і ціануються: поршневі пальці, шестерні, черв’яки, валики

Ст4сп Ст4кп Ст4пс

Деталі металоконструкцій; деталі які мало навантажені: вали, осі, шестерні, ричаги, хомути; деталі, які цементуються і ціануються: поршневі пальці, валики, шестерні, черв’яки

Ст5сп Ст5пс Ст5Гпс

Арматура, крюки кранів, серги ресор, болти, гайки, зірочки, вали, осі, упори підшипників, клинці, штоки, тяги, шайби

Ст6сп Деталі які мають підвищену міцність: вали, осі, колінчаті вали, пальці траків, тяги, клинці, фланці, стяжні кільця

Із збільшенням цифри межа міцності збільшується, а пластичність

зменшується. Сталь групи Б поставляється по хімічному складу.

46

Сталь групи В поставляється по механічним властивостям і хімічному складу. Механічні властивості сталей групи В при розтягуванні визначаються нормами для сталей групи А. В ГОСТ 380-88 включені вимоги до сталей цієї групи по ударній в’язкості. Наприклад, сталі марок ВСт3сп, ВСт3пс мають ударну в’язкість при температурі -20°С не менш 0,3 МПа, при +20°С – 0,7 МПа; ВСт3Гпс –відповідно 0,4 і 0,3 МПа і ВСт4пс при +20°С – не менше 0,7 МПа.

Хімічний склад сталі групи В визначається нормами для сталей групи В. Виключення – нижня межа вмісту вуглецю в сталі.

3.9.2. Вуглецеві інструментальні сталі

Ці сталі виплавляються у мартенівських і електричних печах, а також

методом електрошлакового переплавлення і використовуються для виготовлення різальних, вимірювальних і штампових інструментів. Вуглецеві інструментальні сталі позначаються буквою У і цифрою, яка відповідає середньому вмісту вуглецю в десятих долях відсотку.

По ГОСТ 1435-90 вуглецеві сталі поділяються на: − якісні: У7, У8, У9, У10, У11, У12, У13; − високоякісні: У7А, У8А, У8ГА, У9А, У10А, У11А, У12А У13А.

Буква А вказує на понижений вміст в сталі шкідливих домішок: сірки – до 0,02% і фосфору – до 0,03%; буква Г вказує на підвищений вміст марганцю (до 0,35...0,60%).

Області застосування вуглецевих інструментальних сталей наведені в таблиці 3.2.

Таблиця 3.2 Призначення вуглецевої інструментальної сталі

(ГОСТ 1435-90) Марка сталі Область застосування

У7 У8

Інструмент який працює з ударом: зубила, молотки, штампи, сокири, викрутки

У8; У8А У8Г; У8ГА

Інструмент який працює з ударом: пробійники, фрези, слюсарний інструмент, матриці, пуансони, пили, долота

3.9.3 Вуглецеві конструкційні якісні сталі

Ці сталі виплавляються в мартенівських і електричних печах, а також в

основних конверторах з продуванням киснем зверху. Вони, згідно ГОСТ 1050-88, можуть бути таких марок: 05кп, 08кп, 08пс, 08, 10кп, 10пс, 10, 15кп,

47

15пс, 15, 20кп, 20пс, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 58 (55пп), 60, 65, 70, 75, 80, 85, 60Г, 65Г, 70Г.

Цифри в марках сталі позначають середній вміст вуглецю в сотих долях відсотку, буква Г вказує на вміст марганцю (біля 1 %). Вміст сірки в сталях всіх марок не перевищує 0,04%, фосфору -0,035%. Область застосування сталей наведена в таблиці 3.3.

Таблиця 3.3 Призначення вуглецевої конструкційної якісної сталі

(ГОСТ 1050-88)

Марка сталі Область застосування

08; 10

Деталі з високою пластичністю: прокладки, шайби, тяги, ковпачки; деталі, які цементуються і ціануються: валики, зубчаті колеса, втулки

15; 20; 25 Елементи трубних з’єднань, фланці, болти, труби; деталі

які цементуються і ціануються: осі, шестерні, упори, зірочки, втулки, пальці задніх ресор, вкладиші

30 Осі, траверси, втулки, шпинделі, циліндри, маховики,

фланці, деталі для кріплення, колінчаті вали, шатуни

40; 45 Арматура, осі, вали, штоки, зубчаті колеса, черв’яки, ротори турбін, диски

50; 55 Деталі високої міцності: зубчаті колеса, штоки, вали, осі, шатуни, шліцові вали

60 Ексцентрики, бандажі, зубчаті колеса

65; 70; 75; 80; 85

Пружини клапанів двигуна автомобіля, випускні клапани компресорів, ресори, пружини, валки для прокатування, кранові колеса, пружини амортизаторів, шпинделі, прокладки для регулювання

60Г; 65Г; 70Г

Зубчаті колеса, упорні кільця, пружинні шайби, гальмівні диски, плоскі і спіральні пружини, ресори, бандажі, фланці упорні розподільчого валу

3.9.4. Будівельні сталі

В якості будівельних сталей використовуються вуглецеві і

низьколеговані сталі з невисоким вмістом вуглецю (табл. 3.4, табл. 3.5)

48

Таблиця 3.4 Призначення будівельних сталей

Марка сталі Область застосування Ст0

Будівельні конструкції з листового і сортового прокату, арматура

Ст1 Анкерні болти, жорсткі зв’язки, заклепки Ст2 Заклепки, листи, труби, невідповідальні топочні пристрої

Ст3кп

Листовий і сортовий прокат для будівельних конструкцій, болти

Ст3

Листовий і сортовий прокат для будівельних конструкцій і мостів, крюки, болти

Таблиця 3.5

Призначення низьколегованих сталей Марка сталі Область застосування

14Г Кутники, болти 14Г2 Труби високого тиску

16ГС Корпуси апаратів, днища парових котлів і сосудів

10ГС1 14ХГС Будівельні ферми, конструкції мостів, осі, тяги

15ХСНП Сталі для армування залізобетонних конструкцій

25Г2С 18Г2С Арматура різного профілю і перерізу

3.9.5. Леговані конструкційні сталі

Леговані конструкційні сталі – це вуглецеві сталі, в склад яких вводяться

легуючі елементи для підвищення механічних властивостей деталей у термічнообробленому стані. Основні легуючі елементи: хром, кремній, марганець, нікель, вольфрам, молібден, титан, ванадій, бор тощо. Хром, кремній, марганець впливають на властивості сталі при легуванні в об’ємах 0,8...1,8%, тоді як молібден, титан, бор, ванадій тощо вводяться в сталь в об’ємах десятих і сотих долях відсотка (від 0,02 до 0,3%). Легуючі елементи підвищують межу текучості, відносне видовження, ударну в’язкість, зменшують розмір зерна, збільшують прогартовуваність і дисперсність структур які отримуються. Ці якості особливо проявляються в деталях великого перерізу (більше 15...20 мм). Для забезпечення високої

49

прогартовуваності в сталь вводять марганець, хром, бор, молібден. Нікель підвищує прогартовуваність сталі, пластичність і жорсткість, знижує температурний поріг холодноламкості.

Легуючі елементи підвищують стійкість мартенситу проти відпуску і підвищують міцність сталі після покращення (загартування з високим відпуском).

Найбільш сильно підвищують міцність хром, молібден і кремній. Вольфрам знімає явище відпускної крихкості, що важливо для великогабаритних деталей.

Деякі області застосування цих сталей наведені в таблиці 3.6. Таблиця 3.6

Деякі призначення легованої конструкційної сталі Марка сталі

Твердість HRC Область застосування

1 2 3 60С2 42-48 Пружини рульових тяг 15Х

58-62 Розподільний вал двигуна ЗАЗ, кулачкові муфти, шпонки

18ХГТ 58-62 Вали рульової сошки, напрямні чавунних станин, зовнішні втулки, ходові гвинти пар ковзання

20ХГН4А 58-62 Конічні шестерні головної передачі 40ХГНМ 42-53 Ричаги рульового управління 50ХФА 42-50 Пружини клапанів автомобіля ЗАЗ 50ХТ 37-45 Листи передній і задній ресор 35ХМ 45-50 Зубчаті колеса коробок передачШХ15 48-58 Плунжерна пара, гайка передач гвинт-гайка кочення ХВТ

56-62

Клапани для нагнітання двигунів внутрішнього згоряння

38ХМЮА

58-62

Кільця поршневих двигунів , гільзи циліндрів, шпинделі високоточних верстатів (з числом обертів шпинделя більше 200)

20Х

58-62

Шпонки, втулки, направляючі чавунних станин, шпиндель і черв’яки токарно-гвинторізного верстату, напрямні шліфувальних верстатів, палець передньої ресори

40Х 44-46

Вал карданний, колінчатий вал автомобільного двигуна, шпиндель і шестерні редуктора токарно-гвинторізного верстату, шпиндель фрезерного верстату, черв’яки, гайка зубчато-рейкового приводу токарно-гвинторізного верстату

50

Продовження таблиці 3.6 1 2 3

40ХНМ 48-52 Колеса шестеренних насосів

9ХС 45-50 Гайка для передач гвинт-гайка кочення 12Х13А

48-52

Колеса зубчаті токарно-гвинторізного верстату

ХВН 50-56 Ходові гвинти подачі різьбошліфувальних верстатів

18ХНВА

56-60

Шестерні коробки швидкостей фрезерного верстату

ЗОХГТ

56-62

Зубчаті колеса коробок передач вантажних автомобілів, зубчаті колеса заднього мосту автомобілів

15ХГН2ТА 56-62 Вал ведучий коробок автомобіля ЗАЗ

12ХНЗА

48-62

Сателіти хрестовини диференціала, шпинделі прецизійних верстатів з ЧПУ, втулки шпинделів важких зуборізних верстатів

15ХФ Шворінь поворотного кулака

15ХГНТА Зубчасті колеса коробок передач

20Х2Н4А

Кільця підшипників, кільця карданних підшипників

20ХФ Стакан роликового підшипника 20ХГР Хрестовина кардана

18Х2Н4ВА Колінчатий вал дизеля ЗОХЗВА Ходові гвинти пар кочення і пар ковзання

1Х13 Деталі турбін які отримують ерозійне зношення

3.9.6. Леговані інструментальні сталі

Леговані інструментальні сталі мають більш високі механічні властивості

по зрівнянню з вуглецевими сталями, більш високу прогартовуваність. Інструменти із легованої сталі прогартовуються наскрізь, з меншою деформацією без утворення загартовочних тріщин.

В залежності від технологічних властивостей інструментальні сталі поділяються на групи:

51

1. Сталі для штампів холодного деформування і інструмента для різки металу без знімання стружки. Основні вимоги до сталей цього типу – висока твердість, в’язкість, прогартовуваність, незначна деформація при термообробці. Марки цих сталей: ХВСГ, Х12Н, Х12Ф1. 7ХГ2ВМ, 9Х5Ф, Х6ВФ (витяжні, вирубні, діропробивні штампи); ХВГ, Х6ВФ (ножі ножиць); 6ХС, 5ХВ2С, 37ХНЗН (пневматичний інструмент, зубила).

2. Сталі для штампів гарячого деформування. Для цих сталей основні вимоги – висока прогартовуваність, теплостійкість, опір термічній втомі. Марки цих сталей: 5ХНМ, 5ХНВ, 4ХМС, 5Х2МНФ, 4Х5МФС, 4ХЗВМФ, ЗХЗМЗФ, 5Х2В5МФ.

3. Сталі для вимірювального інструменту. Основні вимоги –висока твердість (60-65 НRC), зносостійкість, відсутність зміни розмірів в процесі експлуатації. Марки цих сталей: 9ХС, ХВ5, 5ХНВ.

4. Сталі для різального інструменту. Основні вимоги – висока твердість і зносостійкість різальної кромки, висока червоностійкість (здатність зберігати довгий час високу твердість і різальні властивості при високих температурах). Марки цих сталей: Р18, Р9Ф5, Р5М6, Р9К5, К5Ф2.

Деякі області застосування цих сталей наведені в таблиці 3.7.

Таблиця 3.7 Деякі призначення легованої інструментальної сталі

Марка сталі

Твердість HRC Область застосування

1 2 3

ХВГ 52-64 Ножі листових ножиць НД3318, протяжки для обробки деталей невисокої твердості

9ХС

60-65

Свердла центрувальні і цекувальні, зенкери суцільні, розвертки, фрези циліндричні торцеві, фрези кінцеві циліндричні, фрези трьохсторонні з вставними ножами, фрези відрізні і шліцові, мітчики, плашки круглі, фрези дискові, зуборізні, різці для ремонтних і лекальних робіт

Р9

62-65

Зенкери складальні (різальна частина), фрези трьохсторонні з вставними ножами, гребінки круглі до гвинторізних головок, довб’яки зуборізні, різці для напівобдиральних і чистових робіт, різці пластинчаті

52

Продовження таблиці 3.7 1 2 3

Р18

62-65

Фрези трьохсторонні з вставними зубами, пили круглі сегментні для металу, фрези різьбові гребінчасті, гребінки круглі до гвинторізних головок, різці для напівобдиральних і чистових робіт

Р6М5 61-65

Пили круглі сегментні для металу, довб'яки зуборізні, різці обтиральні, різці для напівчистових і чистових робіт, різці пластинчаті

9Х 56-61 Мітчики

ХГ 58-62 Плашки круглі, протяжки для обробки деталей невисокої твердості

Х12М 58-60 Плашки різьбові, плоскі

Х,Х09 62-64 Різці для ремонтних і лекальних робіт

ХВ5 62-69 Різці для чистових робіт

3.9.7. Чавуни Чавуни, як і сталь, є сплавом заліза з вуглецем, кремнієм, марганцем,

сіркою і фосфором. Від вуглецевої сталі він відрізняється більшим вмістом вуглецю (від 2,14 до 6,67%) і іншими домішками.

В залежності від вмісту домішок, швидкості охолодження і подальшої обробки отримують білі, сірі, ковкі і високоміцні чавуни.

У білих чавунах більша частина вуглецю знаходиться в зв’язаному стані, і тому такий чавун дуже твердий і крихкий. Отримують білий чавун шляхом збільшення вмісту марганцю і швидкого охолодження. Білі чавуни – це переробний чавун з якого виготовляється сталь.

Сірий чавун (ГОСТ 1412-85) – це сплав заліза-вуглецю-кремнію і який, також, включає у вигляді домішок марганець, фосфор, сірку. Основна маса вуглецю в ньому знаходиться у вигляді пластинчастого графіту. Вміст вуглецю в сірих чавунах звичайно складає від 2,4 до 3,8%, а вміст кремнію знаходиться в межах 1,2...3,5% і чинить сильний вплив на структуру і властивості чавунів.

Сірий чавун маркується по слідуючому принципу: букви "СЧ" позначають сірий чавун, число вказує величину межі міцності при розтягуванні ( вσ ). Наприклад, марка чавуна СЧ21 означає, що це сірий чавун з межею міцності

53

при розтягуванні 21 Н/мм2. Марки і призначення сірих чавунів наведені в таблиці 3.8.

Таблиця 3.8 Призначення сірого чавуна

Марка чавуна Область застосування

СЧ10

Маловідповідальні деталі, які отримують невеликі навантаження в роботі: будівельні колони, фундаментні плити, малонавантажені деталі сільськогосподарських машин, верстатів, автомобілів і тракторів, арматура

СЧ21; СЧ24; СЧ25

Відповідальні деталі, які піддаються вібрації і перемінним навантаженням без ударів, працюють при температурі не вище 300°С, станини двигунів, зубчаті і черв’ячні колеса, маховики, поршні, циліндри, станини і стійки різних верстатів, салазки, столи

СЧ30

Відповідальні деталі; які піддаються високим напругам, стиранню, працюють при температурі 300°С і вище; циліндрові блоки двигунів, циліндри компресорів, гільзи двигунів, корпуси клапанів, корпуси форсунок і паливних насосів, зубчаті і черв’ячні колеса

СЧ35; СЧ40; СЧ45

Особливо відповідальні деталі, які піддаються високим напругам, вібрації і сильному зносу при значних швидкостях: шевронні шестерні, колінчаті вали, поршні, гальмівні барабани, шпинделі, гідроциліндри, корпуси гідронасосів, золотники високого тиску

Ковкий чавун (ГОСТ 1215-79) отримують довгим нагрівом при високих

температурах виливок із білого чавуна. Ковкий чавун включає менше вуглецю і кремнію: 2,5...3,0% С і 0,7...1,5% Sі. Зменшення вуглецю веде до підвищення пластичності, так як зменшується кількість графіту, який виділяється при відпалі.

Маркується ковкий чавун таким чином: букви "КЧ" означають ковкий чавун, перше число – межу міцності при розтягуванні, друге –відносне видовження. Наприклад, марка КЧ30-6 означає, що це ковкий чавун з межею міцності при розтягуванні 30 МПа і відносним видовженням 10%.

Марки і призначення ковких чавунів наведені в таблиці 3.9. Високоміцний чавун (ГОСТ 7239-85) отримують присадкою в рідкий

чавун невеликих добавок магнію. По вмісту інших елементів високоміцний чавун не відрізняється від сірого. Ці чавуни мають високі механічні властивості, які не уступають литій вуглецевій сталі. При цьому вони

54

зберігають властивості, які притаманні чавунам: добрі ливарні властивості, обробляємість різанням, здатність гасити вібрації.

Таблиця 3.9 Призначення ковкого чавуна

Марка чавуна Область застосування

КЧ30-6 Деталі, які працюють при низьких навантаженнях: хомути, гайки, ніпелі, муфти

КЧ33-8

Деталі, які працюють при середніх навантаженнях: підшипники, кронштейни, башмаки, скоби, підкладки

КЧ35-10 КЧ37-12

Деталі, які працюють при високих навантаженнях (матеріал, який повинен мати підвищену міцність при високій пластичності): картери редуктора, задній міст, пальці, ступиці, крюки

КЧ45-6

Деталі, які працюють при високих і особливо високих навантаженнях чи в тяжких умовах зносу (матеріал, який повинен мати високу міцність і зносостійкість при можливо високій в’язкості): муфти, зірочки, ланки приводних ланцюгів, гальмівні колодки, колінчаті вали, втулки і ричаги

Маркується високоміцний чавун таким чином: букви "ВЧ" означають високоміцний чавун, перше число – межу міцності при розтягуванні ( Tσ ), друге – відносне видовження δ ,%. Марки і призначення високоміцних чавунів наведені в таблиці 3.10.

Таблиця 3.10 Призначення високоміцного чавуна

Марка чавуна Область застосування

ВЧ45-5 Фланці, циліндри, шестерні

ВЧ38-17 ВЧ42-12

Деталі, які піддаються високим динамічним навантаженням: прокатні валки (до 12 т.), траверси пресів, шаботи кувальних молотів, корпуси парових турбін, кронштейни, колінчаті вали.

ВЧ50-2 ВЧ50-7 ВЧ60-2 ВЧ70-2 ВЧ80-2 ВЧ 100-2 ВЧ 120-2

Деталі, які піддаються високим навантаженням, а також, які працюють на зношення: циліндри, поршні, зубчаті колеса і черв’яки, картери, гальмівні диски, корпуса парових турбін

55

Виробництво кольорових металів

4.1. Виробництво міді. 4.2. Виробництво алюмінію. 4.3. Виробництво магнію. 4.4. Виробництво титану. 4.5 . Виробництво нікелю. 4.6 . Застосування кольорових металів та їх сплавів. Всі метали діляться на чорні (залізо та його сплави) і кольорові (всі

останні). Всі кольорові метали по вартості (починаючи з найдешевшого) можна розмістити в слідуючому порядку: цинк, алюміній, мідь, свинець, магній, нікель, олово, титан тощо.

4.1. Виробництво міді

Найчастіше мідь отримують із руд, які включають в себе сульфіди CuS ,

SCu2 . Мідь у вигляді самородків зустрічається дуже рідко. Приблизно 80% міді отримують із сульфідних руд. Наприклад, мідний колчедан включає

FeSCuS ⋅ , мідний блиск − SCu2 . Можуть зустрічатися кисневі з’єднання

міді OCu2 і рідше вуглекисні з’єднання міді 23 )(OHCuCuCO ⋅ . Вміст міді в рудах складає 1…3%. Крім міді в цих рудах є невелика кількість цинку, свинцю, нікелю та інших металів. Також, ці руди включають велику кількість піриту 2FeS і пустої породи у вигляді пісковику, вапняку, глини та інших сумішей.

Отримання міді із руд включає 4 етапи: 1. Відпал руд; 2. Отримання мідного штейна; 3. Отримання чорнової міді; 4. Рафінування міді.

Перед цим виконується збагачення руд методом флотації. Руда подрібнюється і перемелюється до зерен розміром 0,05…0,5 мм. Для видалення частинок, які включають мідь застосовується метод змочування водою частинок, які не включають мідь. Частинки, які включають мідь погано змочуються водою. Через суміш подрібненої і перемеленої руди, реагентів, води і піноутворюючих речовин в флотаційних машинах продувають повітря. При цьому утворюються пухирі, до яких прилипають незмочені водою частинки багаті міддю. Останні разом з пухирями спливають на поверхню у вигляді піни. Пуста порода, змочена водою осідає на дно ванни. Збагачення руд дає можливість підняти вміст міді в рудах до 10…35%.

сірнав

дозповкамчас(гопилсіртемрудяка

Відпал руд рки і виконуєведена схема

Ри1 - транс

Подрібнена затор 3 постувітряної коромері 4 підтристині забезпеорить) сіркалоуловлювачрчаної кислотмпература в 6д виводитьсяа називається

Ри1 - камера зг

проводитьсяється він в ка такої печі.

с. 4.1. Схема ппортер; 2 - бун

6 - повіт

руда підводиупає на фурмобки 6 частиимуються в ечується найка. Утворені ч 7 і звідти ти. В камері 600…700 °С.я до 50% сіркя огарком.

ис. 4.2. Відбигорання; 2 - в

56

я для максимкиплячому ш

печі для відпалнкер; 3 - дозатотряна коробка;

иться транспому 5, яка має инки неперерпідвішеномукращий контсірчані гпісля очищза рахунок т

. Залізо і сіркки. В результа

ивна піч для вворонки; 3 - в5 - льотка; 6

6

мально можлшарі в спеціа

лу руди в шарі,ор; 4 - камера; 7 - пилоуловл

ортером 1 доотвори. Під рвно підкидау стані. Шартакт з газамигази із камщення направтепла хімічника окислюютьаті відпалу от

виплавки міднванна; 4 - отв- димохід.

ливого зменшальних печах

, який кипить:; 5 - фурма (отвлювач

о бункера 2 і здією струмеаються вгорур частин кіпи, при цьому мери 4 посвляються дляих реакцій піься. При відптримують від

ного штейнуори для виво

шення в рудіх. На рис 4.1

вори);

з нього черезня повітря ізу і в гарячійить і кожнійокислюєтьсяступають вя отриманняідтримуєтьсяпалі сірчанихдпалену руду

оду шлаку;

і

з з й й я в я я х у

4.23,5магнагспіпла

заврозшаприоднрозпечшт22…срі

1по

типзовтак

75…гор

Для отриман2). Ці печі р5…4,5 м. Стінгнезитової гріванні до ікаються. В авлення досяІз бункера,

вантажуєтьсязділяється в вар окислів – иродним газоному кінці зміщений в дчі по мірі їх тейн через л…25% сірки,ібла.

Рис 4.3. Г - отвір для подачі повітря;

кладк

Отримання пу з бічним внішній діамеких конвертоЗаливання

…80% 2SiOрловину конв

ння мідного шроблять довжнки викладаюцегли. Піч температур

піч завантажягає 1450°С. який розмя руда і флюванні на два шлак. Печі ом. Паливо спечі, а газидругому кінцнакопиченняльотку 5. Ш, близько 8%

Горизонтальнподачі флюсу; 4 - фурми; 5ка; 8 - ролики

чорнової мідуттям (риетр 3…4 м. Фрів від 10 до штейну, зав

2 , випуск човертора, яка р

57

штейну огарожиною 30…3ють із динасонабивають ри 1500…1жується більш

міщений на юс на черінь шари: внизу-опалюються спалюється ви видаляютьці печі. Шлакя через спеціШтейн включкисню і дом

ний конвертору (молотого к5 - фундаменти з приводом

іді виконуєтс. 4.3). Цей Футеровка ви

120 т. вантаження орнової міді розміщена в

7

ок плавлять в35 м, ширинової цегли, а кварцевим п600°С переше 100 т ога

вагонетці, чванни розпл-розплавленикам’яновугі

в камері згорься із печі к і штейн періальні отворичає 20…50%мішки нікелю

р для продувкварцу); 2 - гот; 6 - стальнидля повертан

ться в конвеконвертор м

иконана із маг

кварцевого і видаленнясередній част

в спеціальнихною 8…11 мсклепіння –піском, зернаеходять в арку. Темпер

через воронклаву 3. Розплий шар – штельним пиломрання 1, яка рчерез димох

ріодично випуи, шлак через% міді, 20…

, цинка, свин

вки мідних шторловина; 3 -ий кожух; 7 -ння конверто

ерторах горимає довжинугнезитної цег

флюсу, якия газів виконтині корпуса

х печах (рис.м і висотоюіз динаса чиа якого притридимит іратура в зоні

ки 2 в піч лавлена маса ейн, а зверху м, мазутом і розміщена в хід 6, який ускаються із з отвори 4, а

…40% заліза, нцю, золота і

тейнів: канали для вогнетривка ора

изонтального у 6…10 м і гли. Ємність

ий включає нують через а. Фурми для

. ю и и і і

58

вдування повітря в кількості 46 – 52 шт. діаметром близько 50 мм розміщені по твірній поверхні конвертора. Дуття подається під тиском в 0,75…1,25 ати (75…125 кH/м2) від повітрярозподільчої труби. Конвертор на котках встановлений на фундаменті і може за допомогою приводу повертатись навколо горизонтальної осі. Тепло в конверторі утворюється без подачі палива за рахунок хімічних реакцій (реакцій окислення). Завдяки цим реакціям температура розплаву в конверторі підвищується з 1100…1200 ºС (температура залитого штейну) до 1250…1350 ºС.

Чорнову мідь виливають через горловину конвертора в ківші, а потім розливають в зливки, для чого використовують розливочні машини. Продуктивність конвертора за одну операцію становить 80…100 т.

Чорнова мідь включає сірчані з’єднання, окисли, залізо, домішки золота, срібла, свинцю, сурми тощо (загальний вміст 0,5…1,5%) і тому не може бути використана в такому вигляді для технічних цілей.

Отриману чорнову мідь розливають на чушки, а при наявності міксера в рідкому стані направляють на рафінування (очистку).

Вогняне рафінування виконується в полум’яних відбивних печах місткістю до 250 т. Ці печі опалюються мазутом або пиловидним паливом. Процес рафінування складається із розплавлення чушок чорнової міді, окислення домішок, видалення газів, які розчинені в металі і розкислення міді. Домішки окислюються продуванням розплавленої чорнової міді повітрям, яке подається через фурми під тиском до 2 ат. При цьому домішки окислюються в відповідності з їх тепловими ефектами в слідуючій послідовності: ,Al ,Si ,Mn ,Zn ,Sn ,Fe ,Ni ,As ,Sb ,Pb ,Bi .Cu

Одна частина домішок ( ,32OAl ,2SiO 32OFe тощо) переходять в шлак,

інша ( ,ZnO PbO тощо) видаляються з пічними газами, третя ( ,Au Ag ) залишаються в розплаві. Відповідно закону діючих мас одночасно окислюються і частини міді.

Окислення домішок продовжується на протязі 3 годин. Після скачування шлаку виконується відновлення міді “дратуванням” на щільність. В метал вводять сирі, а потім сухі дерев’яні поліна і ними перемішують рідку мідь. При цьому проходить бурхливе виділення парів води і газів із дерева. При цьому відновлюється мідь і виділяється сірчаний газ, а утворені вуглеводні розкислюють мідь.

COCuCOCu +=+ 22

0,3ківвир

рафдоз

асф12…Міано200силчисвідднікг

2OCu Cu4В результат

3…0,5%. Готвші і розливаробництва спВ даний чфінуванні, щзволяють видДля електро Дерев’яний фальтом, бак…16 – відсоідні катоди водні плити –0…250 кг, толою 10000…ста мідь відкд мінусового ів на кожномміді. Витра

Р1 - дер

4 - отвір дл

2COO =+

CHO 42 =+

ті дратуванн

тову мідь з вають на анодплавів). час до 95%що дозволяєдобувати золоолізу виготов

корпус ванелітом чи вінотковий воднвиготовляют– із міді післовщина 40…5

…15000 А прикладається наполюса, а д

му катоді (їх ата електроен

Рис 4.4. Елекев’яний корпля спускання

59

2COCu +

COCu8 +=

я вміст Cuвмістом 99,5дні плати (д

% чорнової є отримуватото, срібло, сляють електр

нни облицьовніпластом. В ний розчин мть із тонких ля вогневого50 мм. В прои напрузі 0,3а катодних плдо анодного в ванні більнергії склад

ктролізна ванпус ванни; 2 -я осаду (шлак

- електр

9

OHO 22 2+

O2 в міді з

5…99,7% Cuдля електрол

міді піддати мідь білселен,теллур ролізні ванни

ваний в серванну в якосмідного куполистів (0,5…

о рафінуванноцесі пропуск3 В анодні пластинах. До– від плюсоьш 20 шт.) віає 250…300

на для рафіну- листовий свку); 5 - анод; роліт

знижується з

u випускаюізу) чи на в

ають електрльш високої та інші доміши (рис 4.4).

редині листасті електроліторосу в сірча…0,7 мм) чиня. Вага анокання постійпластини розо катода підввого. На продкладається

0 квт·г на 1

ування міді:винець; 3 - ізо6 - катод; 7 -

з 10…12 до

ть із печі в иливки (для

ролітичному чистоти і

шки.

ами свинцю, та заливають аній кислоті. истої міді, а одних плит йного струму зчиняються і водять струм отязі 10…12 близько 100 т (0,9…11

олятори; шлам; 8

МДіз доп

вип(99

руд

– 3для

кгМДж ) мідшламом. Шпомогою спе

Рис

Катодну мідпускається ш9,9% Cu ), МТехнологічнд) наведений

Одна легенд37 р. н. е.) прия цієї чаші

ді. Цінні метШлам випускаціальної обро

с 4.5. Техноло

дь переплавляшести марокМ2 (99,7% Cuний шлях відй на рис 4.5.

4.2

да розказує, щийшла людині служив гл

60

тали (золото,ають через обки.

огічний шлях

яють і розливк: МОО (99,u ), М3 (99,5%д руди до ме

2. Виробни

що до римськна з металеволинозем ( A

0

срібло тощоотвір, звідки

х від руди до

вають на зли,99% Cu ), % Cu ), М4 (еталу (отрим

ицтво алюмін кого імператоою чашою, як

32Ol ) і, ві

о) осідають ни вони вида

металу (міді)

ивки. Мідь згіМО (99,95%

(99% Cu ). мання міді із

нію

ора Тіберія (4ка не билась. дповідно, п

на дно разом аляються за

)

ідно ГОСТУ % Cu ), М1

сульфідних

42 р. до н. е. Матеріалом овинен був

61

представляти собою алюміній. Боючись, що такий метал обезцінить золото і срібло, Тіберій на всякий випадок наказав відрубати цій людині голову. Цій легенді важко повірити: самородний алюміній в природі не зустрічається, і під час римської імперії не могло бути технічних засобів, які дозволили б отримати алюміній із його з’єднання. Окис алюмінію на відміну від окису заліза неможливо відновити за допомогою деревного вугілля. В 1825 р. датчанину Гансу Христіану Ерстеду, а в 1827 р. німцю Фридриху Вєлеру вдалося отримати в лабораторії перші зразки алюмінію. В 1855 р. на Парижській всесвітній виставці був показаний кусок алюмінію вагою в декілька кілограм. В той час в Франції Сен-Клер Девіль отримував алюміній в технічних масштабах (шляхом відновлення натрієм сплаву хлоридів), від якого пізніше відмовились. Наполеон ІІІ мав намір спорядити гвардійців алюмінієвими кирасами, але ціна їх була непомірно високою. Під час Парижської виставки 1 кг алюмінію коштував 1000 марок (в 5 раз дорожче срібла). В 1844 р. 1 кг алюмінію уже коштував 100 марок. Тільки після винаходу електролітичного процесу алюміній по своїй вартості зрівнявся з звичайними металами.

До цього винаходу в 1886 р. незалежно один від одного прийшли П. Еру в Франції і Ч. Холл в США.

Перша назва алюмінію – “срібло із глини”. Алюміній отримують із сировини, яка включає в себе значну кількість

глинозему, - боксити, каоліни, нефеліни і алуніти. Основною рудою є

боксити, які включають 50…60% 32OAl , 1…15% 2SiO , 2…25% 32OFe ,

2…4% 2TiO , 10…30% OH 2 . Технологічний процес отримання алюмінію складається із трьох

основних стадій: 1 – отримання глинозему із руд; 2 – отримання алюмінію із глинозему; 3 – рафінування алюмінію.

32OAl - глинозем, окис високої стійкості і високої температури

плавлення 2050 ºС. В залежності від кількості і характеру домішок, які входять в склад сировини, для видалення глинозему використовують лужний, кислий, електротермічний або комбінований спосіб. Найбільш поширеним є лужний спосіб, який існує в двох варіантах – автоклавного (мокрого) і способу спікання (сухого).

Автоклавний (мокрий) спосіб отримання глинозему із руд (спосіб Байєра) отримав найбільш широке застосування в промисловості. Цим способом

62

отримують 85…87% глинозему. 32OAl вилуговують із руди в вигляді

алюмінату натрію ( ONaOAl 232 ⋅ ), який розчинений в воді. Для цьго мілко

подрібнену руду обробляють їдким натром ( NaOH ) чи содою ( 32CONa ).

Вилуговування виконується в спеціальних автоклавах при температурі 150…200 ºС і тиску 12 ат. При цьому алюміній, який міститься в бокситах в вигляді гідратів окислів, взаємодіє з їдким натром і переходить в розчин,

утворюючи алюмінат натрію. З алюмінату натрію отримують 32OAl .

Сухий спосіб отримання 32OAl дозволяє переробляти як бідні

висококремнисті боксити, так і нефеліни. По цьому способу бокситову муку змішують з содою, спікають при 800…1000 ºС для отримання алюмінату натрію, який розчиняється в воді. Реакція отримання алюмінату натрію має слідуючий вигляд:

22323232 COONaOAlCONaOAl +⋅=+

Отриманий алюмінат натрію вилуговують водою і продувають вуглецевою кислотою для отримання осаду гідрокису алюмінію за реакцією:

32322232 )(23 CONaOHAlOHCOONaOAl +↓=++⋅

Після промивання і підсушки осад пропікають, видаляють воду і отримують глинозем.

Другою стадією отримання алюмінію є отримання алюмінію із

глинозему. При цьому глинозем змішують з криолітом 63 AlFNa , який

плавиться при температурі 1000 ºС. Сам глинозем досить тугоплавкий, а

розчин глинозема в криоліті евтектичного складу (біля 15% 32OAl )

плавиться при 940 ºС. Електроліз розчинів, які включають 8…10% глинозему, виконується в спеціальних ваннах – електролізерах, схема якої наведена на рис. 4.6.

Ванна включає стальний кожух, з середини який футерований теплоізоляційною шамотною цеглою 6, анод і стінки викладені вугільними блоками 4. В поді ванни змонтовані катодні шини, які подають струм до вугільних блоків. Зверху в ванну з розплавленим криолітом, який включає

8…10% глинозему і до 10% 2MgF , 2CaF і NaCl , опущений анод 3, який частково занурюється в електроліт.

пря(намаспримасста

викелепотаномасзаб

Рис 4.6. В1 - гли

Безперервниямокутної аафтовий або са знаходитьи 360 ºС в тіссу. Підвід стальні стержні

конується зектролізера птім заливаютоди, які згорсу. Електролбезпечуючи б

Ванна-електринозем; 2 - ст

5 - вентиля

ий анод, якалюмінієвої смоляний к

ься при 100…стоподібний труму до ані 2, які забит

а допомогопроводять обть рідкий елерають опускаліт періодичнбезперервніст

63

ролізер для оттальні стержнційний прист

кий самообпобечайки закокс чи кам’я…140 ºС в рістан, при 400нода виконуєті в анод. Пер

ю електродбпал анодів іектроліт і приаються в ванно поповнюєть процесу на

тримання алюні; 3 - анод; 4трій; 6 - шамо

палюється павантажують яновугільнийдкому стані,0…950 ºС спється зверху реміщення ан

двигунів. Пеі підігрів ваниступають донну, а зверхється новимиа протязі 2…

юмінію з гли4 - вугільні блотна цегла

працює так. вугільну ан

й пек). В вер нижче вонапікається в тввід анодної

нодів разом з

еред пускомнни на протяо електролізуху завантажуи порціями г3 років.

инозему: локи;

Всередину нодну масу рхніх шарах а переходить ерду анодну ї лінії через з стержнями

м в роботу язі 6…8 діб, у. Поступово ують анодну глинозему 1,

4…глитем

елеперпровиг

Електролізе…4,5 В. Струинозема і омператури ел

ектричного среносяться елоцес (розрядгляді) . Алюм

Рис. 4.7. Шл

ри живлятьсум використоотримання телектроліту в

струму дисолектричним сд іонів алюміміній скопичу

64

лях алюмінію

ся струмом овується дляепла, яке нв 850…1000

оціює на іонструмом до пінію і видалеується на дні

4

ю від боксита

силою 50000я забезпеченнеобхідне дл

ºС. Розплав

ни. Додатньопода (катоду)ення металеві ванни під ш

до метала

0…155000 Аня процесів ля підтриманлений криол

о заряджені ), де проходивого алюмінішаром електро

А, напругою електролізу ння високої літ під дією

іони +3Al ить катодний ія в рідкому оліту, звідки

65

він видаляється за допомогою сифону або вичерпується ківшем через 3…4 доби.

Від’ємно заряджені аніони −33AlO переносяться струмом до аноду

(вугільному електроду). Кисень, який при цьому видаляється окислює

вуглець анода з утворенням CO і 2CO , які видаляються за допомогою вентиляційних пристроїв 5.

Технологічний шлях від бокситів до чистого алюмінію наведений на рис. 4.7.

На 1 т алюмінію затрачується 1,92…1,98 т глинозему, 0,08…0,09 т криоліту і 16500…18000 кВт·г (59,4…64,7 ГДж) електроенергії. На добу одна ванна дає 350 кг алюмінію. Електроенергія складає більш 30% вартості алюмінія, який отримується.

Третьою стадією отримання алюмінію є рафінування. Алюміній, який отриманий електролізом має ряд домішок: металевих ( ,Si ,Fe ,Zn тощо),

неметалевих ( 32OAl , C тощо) і газоподібних ( ,H ,N ,CO 2CO тощо).

Ці домішки погіршують його властивості. Для отримання чистого алюмінію його піддають рафінуванню шляхом хлорування чи електричним способом. Метод хлорування заключається в продуванні алюмінія хлором в ківші місткістю біля 1,25 т чи спеціальній камері при температурі 750…770 ºС на протязі 10…15 хв. При цьому утворюється газоподібний хлористий алюміній

32 232 AlClClAl =+ ,

який проходить через рідкий метал, сприяє спливанню неметалевих домішок і видаленню газів, які розчинені в алюмінію. Утворені хлористі з’єднання:

NaCl , 2MgCl і 2CaCl також спливають на поверхню. При хлоруванні частина алюмінію втрачається (до 1,0%), а витрати хлору становлять біля 0,1% від маси металу. Після рафінування хлором алюміній розливають на чушки. Чистота отриманого алюмінію складає 99,5…99,85%.

Отримання алюмінію високої чистоти частіше досягається електролітичним рафінуванням. Анодом служить алюміній, який необхідно очистити, катодом – пластини чистого алюмінію. В якості електроліту використовують розплавлені хлористі і фтористі солі при 750 ºС (температурою вище температури плавлення алюмінію). В розплавленому електроліті алюміній піддають анодному розчиненню і електролізу. Більш високі електрододатні властивості алюмінію по зрівнянні з ,Na Ca і Mg

66

дозволяють осаджувати його на катоді. Електролітичним рафінуванням отримують алюміній чистотою 99,996% і вище.

Марка алюмінію, який випускається чистоти А-999 включають алюмінію не менше 99,999%. Цей алюміній називається особливо чистим і включає 0,001% домішок. Марки алюмінію А-995, А-99, А-97 і А95 включають 0,005%…0,05% домішок і називається алюміній високої чистоти. Марки алюмінію технічної чистоти А-85, А-8, А-7, А-6, А-5, А-0, АЕ і А включають більше 0,05% домішок.

4.3 .Виробництво магнію

Магній легкий метал, який в земній корі серед інших металів займає третє

місце після алюмінію і заліза. В 1695 р. один алхімік випарував епсомську мінеральну воду (курортне

місце Епсом поблизу Лондона) і отримав в осаді сіль. Цю саму сіль він виявив в воді інших мінеральних джерел і це був гідратований (включаючий

воду в кристалах) сульфат магнію OHMgSO 24 7⋅ . Іншу магнієву сіль (основний карбонат магнію) найшли на початку XVIII

сторіччя і застосовували в медицині. Свою назву magnesia alba (біла магнезія) вона отримала від античного міста Магнезія (нині – Маніза в Турції). Англійський хімік Хємфрі Деві (1778-1829) передбачив, що це з’єднання є окисел металу, який він назвав магнієм. “Біла магнезія” виявилась не окислом, але це дійсно було з’єднання металу.

Х. Деві в 1808 р. приготував магнієву амальгаму (сплав магнію з ртуттю), але не відомо чи вдалось йому отримати магній із амальгами.

Перші грами чистого магнію вдалось отримати французькому хіміку Бюссі в 1829 р., а велика кількість нового металу – магнію була представлена на Лондонській всесвітній виставці 1862 р.

В ХХ сторіччі людство отримало можливість познайомитись з іншими властивостями цього металу. Магній і його сплави стали широко застосовуватись в запальних бомбах, і в роки другої світової війни міліони таких бомб були скинуті на міста країн, які воювали. Потім з’явились нові засоби масового знищення – напалмові бомби з оболонкою із магнієвих сплавів.

Магній отримують із сировини, яка включає хлористий магній або оксид

магнію: карналіт OHKClMgCl 22 6⋅⋅ (включає 12…30% хлористого

маг

Ca

M8,8

елеруд

долпід

отр

хло

ків

роз

KC

секфу

гнію), маг

3 MgCaCO ⋅

2MgCl ). Магн

8% Mg і бішДля отримектролітичнид). При отримломіту отриддають відпа

римання Mgорид магнію:Отриманий

вші в цех елекПісля витри

зплаві залиш

Cl . Готовий Отримання кцій якої навутеровку.

Рис

гнезит M

3CO (14…22%

незит включа

шофіт – 12% мання метаий (електролі

манні магніюимують хлоралу при темп

gO . Потім х

: CMgO +хлористий мктролізу. имки, яка нео

шається до 50

розплав напрмагнію ведуедена на рис

4.8. Схема в1 - графітов

3 - пер

67

3MgCO (б

% MgO ), бі

ає 28,8% MgMg . алевого магіз хлоридів) і

ю електролітрид магнію. пературі 750…

хлоруванням

2 MgCCl =+магній в роз

обхідна для о

0% 2MgCl ,

равляють в еуть в спеціалс. 4.8. Ванна п

анни для елева пластина; регородки із

7

ільше 45%

ішофіт MgC

g , доломіт –

гнію застосі термічний (

тичним спосДля цього

…900 ºС з м

м в присутно

.2 COMgCl +зплавленому

осідання на д

біля 0,5% Mлектролізнийльних електрпрямокутної

ектролізу хло2 - стальні плшамотної цег

% MgO )

OHCl 22 6⋅ (

– 21,7% Mg

совують два(термічне від

собом із мао магнезит метою видале

ості вуглецю

у стані транс

дно печі окисMgO і остан

й цех. ролізних ванформи, має

ридів магніюластини; гли

, доломіт

(більше 46%

, карналіт –

а способи: дновлення із

агнезиту чи чи доломіт ення 2CO і

ю отримують

спортують в

су магнію, в

ннє NaCl і

нах, одна із вогнетривку

ю:

68

Анодом служить графітова пластина 1, катодами – стальні пластини 2. Між анодом і катодом є перегородка 3 із шамотної цегли. В кожній ванні декілька секцій, які складаються із анодних блоків і двох катодних пластин. Сила струму в ваннах досягає 30000…50000 А при напрузі в 7 В.

Електролітом при електролізі служить сплав солей: 8…16% 2MgCl ,

25…35% 2CaCl , 25…35% NaCl і 18…25% KCl . Електричний струм проходить через електроліт, нагріває його до 700…750 ºС, при цьому

2MgCl розкладається і в катодному просторі видаляється магній, а хлор виділяється на аноді, звідки він відсмоктується в хлоропровід і використовується для хлорування окису магнію.

Так як густина магнію менша, чим електроліту, він спливає і накопичується на поверхні ванни. Звідси його перекачують в вакуумний котел. На 1 т магнію отримують 2,9 т хлору. Оксид магнію, відновлене залізо та інші домішки осідають на дно ванни і по мірі накопичення періодично видаляються. При електролізі витрачається до 25 кг електродів і 15000…17000 кВт·г електроенергії на 1 т магнію.

Магній, який отримують електролізом, включає до 3% домішок (хлористі солі, оксид магнію та ін.), тому його рафінують шляхом переплавлення в стальних тигельних печах з флюсом чи возгонкою магнію.

При переплавленні флюс перемішується з рідким металом при температурі 720…750 ºС і після чого дають йому вистоятись. В якості флюса виступає сплав хлористих і фтористих солей. Під час відстоювання домішки опускаються на дно тигля. Очищений магній розливають в виливниці за допомогою ківшів чайникового типу. Для запобігання окислення струменя металу його опилюють мілким порошком сірки.

Рафінування магнію возгонкою основано на більшій пружності його парів по зрівнянні з домішками (кремнію, заліза, міддю тощо). Це рафінування виконують в ретортах (рис. 4.9) в вакуумі (залишковий тиск 0,1…0,2 мм рт. ст.). Реторта включає: нагрівач 1; теплову ізоляцію 2; екран 4 і систему водяного охолодження і відкачування повітря. Магній 3 осідає на стінки реторти. Нижня частина реторти підігрівається до температури 600 ºС нагрівачем 1. При цій температурі магній починає випаровуватись, а верхня частина реторти охолоджується приблизно до 450 ºС для конденсації парів магнію, при цьому останній осідає на стінках реторти. Отриманий магній у вигляді чистих блискучих кристалів видаляється із стінок реторти, переплавляється і розливається на чушки. Рафінований метал включає

99,термаг

ретВикаркаркон

дугпри

холпервкл

,91…99,99% рмічний метгнію кремнієВідновленнятортах (рис. ихідним матрбідотермічнрбідотермічннденсується (

Рис 4.1 -

Відновленняговій електрои температур

Відновленийлодильника, реплавляють лючає 99,9 MТехнічний м

.Mg Для оттод в основуєм, карбідом кя магнію кре4.9) при гл

теріалом слному способіному спосо(кристалізуєт

.9. Схема рет- нагрівач; 2 -

я магнію угопечі, яка фурі вище 2000

MgOй магній випякий з’єд

і розливаютMg . магній в чушк

69

тримання мау якого поккальцію чи вемнієм чи калибокому ваклужить обпаі магній віднобах відновться) на стінк

торти для раф- теплова ізол

глетермічнимутерована вуг

ºС. При цьомMgCO =+

аровується і днаний з ть в чушки. О

ках випускаю

9

агнію застосокладено процвуглецем. арбідом калькуумі і темпалений магнновлюється. влений магках кристаліз

фінування магляція; 3-магн

м способом гільними блокму магній від

COg + . осідає в виглпіччю. Зві

Отриманий те

ють двох маро

овують і білцеси відновл

ьція ведетьсяпературі 110незит чи дПри сілікотегній випарзатора.

гнія возгонконій; 4 - екран

ведеться в ками, в атмосдновлюється з

ляді кристаліідси його ермічним шл

ок:

льш простий лення окису

я в стальних 0…1200 ºС. доломіт.При ермічному і овується і

ою:

трьохфазній сфері водню за реакцією

ів на стінках видаляють,

ляхом магній

70

1Mg (99,91% Mg ), 2Mg (99,85% Mg ).

4.4. Виробництво титану

Грецькі міфі розказують про покоління титанів – дітей Ірана (неба) і Геї (землі). Десять років йшла жорстка боротьба між титанами і богами Олімпу. Боги, на чолі з Зевсом, отримали перемогу, і титани були скинуті в бездонну підземну прірву Тартар.

В 1795 р. німецький хімік М. Клапрот (1743-1817), вивчаючи мінерал рутил, виділив із нього невідомий метал, який назвав титаном. Він встановив, що це той же елемент, який чотири роки раніше англічанин В. Мак-Грегор знайшов в тяжкому піску поселення Менакан, яке розміщувалось на березі. При подальших дослідженнях виявилось, що титан присутній в багатьох мінералах. По поширенню в природі цей елемент займає серед металів четверте місце (після алюмінія, заліза і магнія), в земній корі він складає 0,6%-втроє більше, чим мідь, цинк, нікель, ванадій, хром і марганець взяті разом.

В 1910 р. американському хіміку М. Хантеру вдалося отримати декілька грамів металевого титану (який описаний Клапротоком і “металевий осад” є окисел цього металу).

Виробляти чистий титан в компактному вигляді дуже важко, так як титанова губка схильна поглинати гази, з’єднується з азотом і вуглецем, а титан з домішками стає крихким і ломким. Тільки після того, як була розроблена промислова технологія отримання чистого титану, почали виявлятись його гарні якості, що дає можливість по деяких властивостях випереджати високолеговані сталі.

Титан отримують із мінералів: ільменіт 2TiOFe ⋅ (включає до 61%

2TiO ), рутил 2TiO (до 90% 2TiO ), перовскіт CaOTiO ⋅2 , титатіт тощо. Титан має високу хімічну активність і спорідненість до кисню, азоту,

водню та іншим елементам, тому відновити його із двоокису ( 2TiO ) неможливо. Двоокис титану спочатку переводять в тетрахлорид титану (

4TiCl ), а потім із останнього отримують чистий метал. Основною вихідною сировиною для виробництва титану є рутилові і ільменитові концентрати, які отримують збагаченням титанових руд (титанові руди піддаються електромагнітному, електростатичному, флотаційному, гравітаційному та іншим видам збагачення, в результаті яких отримують концентрати, які

71

включають до 60% 2TiO . Залізотитанові концентрати переробляються плавленням в електричних печах. Відновлювальним плавленням отримують чавун, легований титаном (0,6…2,0 Ti ), і шлаки, які включають біля 80%

2TiO і 1,5…3,0% FeO . Ці шлаки використовуються в якості сировини для отримання титану.

Отримання металевого титану із титанових концентратів або шлаків виконується в три етапи.

Перший етап, - це отримання тетрохлориду титану 4TiCl (рідина, яка кипить при температурі 136 ºС); другий етап – отримання титанової губки відновленням тетрахлорида титану; третій етап – отримання злитків компактного титану із титанової губки.

Отримання тетрахлорида титану із рутилу 2TiO виконують відновленням вуглецем і хлоруванням при температурі 800…850 ºС за

реакцією: COTiClCClTiO 222 422 +=++ . Для цього рутил змішують з коксом, дерев’яним вугіллям чи графітом

або кам’яновугільним пеком. Цю суміш пресують в брикети, які потім прокалюють при температурі 800…900 ºС в герметично закритих печах. Отримані пористі брикети піддають хлоруванню в спеціальних установках при температурі 800…850 ºС. Схема цієї установки наведена на рис. 4.10. Футеровка печі 6 є циліндр, який викладений шамотною цеглою і встановлений на фундаменті. Пористі брикети із рутилу 7 завантажують на вугільну насадку 4 через завантажувальний корпус 10 з бункера 11 з завантажувальним пристроєм. В нижній частині установки розміщені графітові електроди 2 і фурми для подачі хлору 3. Хлор проходить по тру-бопроводу 5. Для видалення побічних продуктів служить льотка 1. В склепінні печі 8 розміщений отвір 9 для видалення паро-газової суміші. Ця суміш у вигляді парів тетрахлорида титану разом з іншими газоподібними продуктами хлорування поступає в пилоочисник, де підтримується темпе-ратура 150...200 ºС для запобігання концентрації парів 4TiCl . Очищену від пилу суміш хлоридів навправляють для охолодження в конденсатори.

Тетрахлорид титану концентрується (накопичується) в конденсаторах головним чином в рідкому вигляді. Він включає домішки у вигляді хлористих з’єднань інших металів, від яких звільняються шляхом

відотр

Р

трот

ета

магспе

дстоювання, римують тетр

Рис 4.10.Схем1 - льотка;

рубопровід; 6твір для видал

Для відновлап) існують

гнійтермічниеціальних печ

Рис 4.11. С

фільтрації і рахлорид тит

ма установки2 - графітові 6 - футеровкалення паро-г

лення титанудекілька спо

ий (відновлечах, які назив

Схема печі від72

фракційної тану в вигляд

и для хлоруваелектроди; 3а печі; 7 - бригазової суміш

бунк

у із 4TiCl -особів. Найб

ення титану ваються реак

дновлення ти2

перегонки. ді безколірно

ання пористо3 - фурма; 4 -икети з рутилші; 10 - заванткер

отримання тбільш широк

із 4TiClкторами).

итану магнійт

В результатої прозорої рі

ї маси титанувугільна нас

лу; 8 - склепінтажувальний

титанової гуке застосуван

виконується

термічним сп

ті очищення дини.

у (рутилу): садка; 5 - ння печі; 9 - корпус; 11 -

бки (другий ння отримав

я магнієм в

пособом:

73

1, 2 - труба; 3 - теплоізоляція; 4 - реактор; 5 - кришка; 6 - льотка для зливу; 7 - стакан; 8 - трубопровід; 9 - піч; 10 - губчата маса

Отримання титанової губки відновленням тетрахлориду титана магнієм виконується за реакцією:

.444 MgClTiMgTiCl +=+ Схема реактора наведена на рис. 4.11. У стальний стакан 7 печі 9

завантажують магній високої чистоти у вигляді чушок. Потім реактор 4 щільно закривають кришкою 5, над якою знаходиться теплоізоляція 3. Із реактора відкачують повітря і заповнюють його аргоном через трубу 2 і

подають туди 4TiCl через трубу 1. Швидкість подачі тетрахлорида титана повинна бути такою, щоб температура всередині реактора підтримувалась в межах 800…850 ºС, у іншому випадку матеріал реактора буде взаємодіяти з відновленим титаном.

Металевий титан випадає на дно і стінки стального стакану і спікається в щільну губчату масу, яка включає чистий і хлористий магній. Рідний хлористий магній, який утворюється в результаті реакції, періодично видаляється через трубопровід 8 і льотку для зливу 6.

Після закінчення процесу і охолодження стакану із нього видаляють отриманий продукт у вигляді губчатої маси 10 (55…65% Ti , 25…30% Mg

і 10…15% 2MgCl ). Для видалення металевого і хлористого магнію отриманий титан

рафінують вакуумною сепарацією. Для цього стакан з реакційною масою 6 закривають кришкою, яка має отвір, повертають вверх дном, встановлюють в піч (рис. 4.12.).

Піч включає зовнішній конденсатор 2, внутрішній конденсатор 3, кожух

4 і контейнер 5. В печі створюється вакуум 310− мм рт. ст. і нагрівають стакан до температури 900…950 ºС елементами 1. При цьому металевий і хлористий магній випаровується і проходить через отвір в кришці стакана, конденсується на конденсаторах, переходить із парів в рідкий, а потім в твердий стан, і збирається в нижній частині печі.

Отримання зливків компактного титану із титанової губки (третій етап) виконується переплавленням останньої в дугових вакуумних печах, або високочастотних печах. Схема дугової печі з електродом, який витрачається наведена на рис. 3.10. Плавлення ведеться в вакуумі або в середовищі інертних газів. Після плавлення отримують титан, який включає біля 0,2%

домпрозлиочизливис

викелетит

отрвол

метдом

мішок, відокатуванню, ивки масою дистити титанивки оброблсокої чистоти

Рис 4.12. С1 - елемент

конд

Хлористий користовуватектролізі магтану. Найбільш чримують іодльфрамової нОсобливо чтодом зонногмішок в рідко

дрізняється куванню і

до 5 кг і більн від вологи, ляють тискоми має не більш

Схема печі длти для нагріваденсатор; 4 - к

магній (побти для отригнію) і магн

истий промидидним спосонитки, яка нагчистий титанго плавленняому металі п

74

високою штампуванньше. Плавленводню, метам і отримуюше 1% доміш

ля вакуумноїача; 2 - зовнішкожух; 5 - ко

бічний продуимання магнній раціонал

исловий титанобом – розклгріта до 1300н може бутя. Метод оснопо зрівнянню

4

пластичністню. Отриманння під вакууалевого і хлорють різні пршок.

ї сепарації гушній конденснтейнер; 6 - р

укт при вироію, а хлор льно застосов

н, який вклюладанням йод0... 1500 ºС в вти отриманиований на явию з розчинніст

тю, добре ний метал роумом дозволяристого магнрофілі. Техн

убчатої маси тсатор; 3 - внуреакційна ма

обництві тит(побічний пвувати при

ючає лише 0,1дидів титанавакуумі. ий із технічнищі більшоїтю в твердом

піддаєтьсяозливають вяє додатковонію. Титановінічний титан

титану: утрішній аса

тану) можнапродукт привиробництві

1% домішок,а на поверхні

ного титануї розчинностіму металі.

я в о і н

а и і

, і

у і

75

Титан випускають наступних марок: ТГО (99,65% Ті), ТГ1(99,21% Ті), ТГ2(99,18% Ті).

4.5. Виробництво нікелю

В середні віки саксонські гірники намагались отримати мідь із червоно-бурого гравію який вони рахували мідною рудою. Але всі їхні спроби були невдалі. Тоді вони вирішили, що їх дурить злий гірний дух по імені Нікель, і назвали цей мінерал “купфернікель”(злий дух міді). В пам’ять про цю стару історію шведський хімік і мінералог А.Кронштедт назвав нікелем метал, який відкрив в 1751р.

Нікель - в’язкий метал з сильним блиском. Плавиться при температурі 1455 0С, його можна кувати, прокатувати і витягувати в дріт (межа міцності нікелю при розтягування складає 400 ...700 н/мм2). Нікель можна легувати рі-зними елементами. Він стійкий до корозії в воді, в тому числі в морській, в лужних розчинах, розчинах солей та інших органічних кислотах. По своїх властивостях він кращий за залізо, але в природі він зустрічається значно рідше (світове виробництво нікелю складає біля півмільйона тон на рік), май-же в тисячу раз менше, чим виробництво сталі. Більша частина цієї кількості йде на легування сталей (в металургії він є одним із важливих легуючих еле-ментів). Нікель підвищує в’язкість і міцність низьколегованих сталей і коро-зійну стійкість і жаростійкість високолегованих сталей.

Сплави заліза з нікелем застосовувались ще тоді , коли нікель не був відомим (метеоритне залізо, яке включало до 10% нікелю). Із мідно-нікеле-вих сплавів чеканили монети в ІІ тисячолітті до н.е. Старовинний китайсь-кий метал “пафонг” був нічим іншим, як сплавом міді з цинком і нікелем. Тільки на початку ХІХ століття такий сплав почали застосовувати в Германії під назвою “нейзильбер”.

В даний час широко застосовуються сплави нікелю з міддю, який легко піддається гарячій і холодні обробці тиском, має достатню міцність, особли-во при високих температурах, добре протистоїть зносу і корозії, має високий електроопір, який майже не змінюється із температурою.

Нікель та мідь повністю змішуються між собою, як в рідкому так і в твер-дому стані, утворюють неперервний (по складу) ряд твердих сплавів. Всі властивості мідно-нікелевих сплавів плавно змінюються в залежності від від-носного вмісту в них цих металів.

76

Із чистого нікелю або його сплавів виготовляють внутрішні деталі елект-ричних ламп. Сплав із 30...50% нікелю широко застосовується в електронних резисторах.

Нікель один із самих поширених металів для антикорозійних і декоратив-них покрить. Частіше всього нікель наносять гальванічним шляхом (біля 20% світового виробництва нікеля йде на гальванічні нікеліровані вироби з інших металів). Жароміцні і корозієстійкі сплави , які включають більше 50% нікелю, відомі під назвою “ монель -метал”. Колись так називали сплав, який безпосередньо виплавляли із деяких канадських руд.

Ніхроми –сплави нікелям і хрому, нікеля –хрому –заліза, добре працюють як матеріали для нагрівальних елементів. Жароміцні сплави на основі нікелю мають властивості до дисперсійного зміцнення в результаті термічної оброб-ки, межа міцності цих сплавів перевищує 1000 н/мм2, висока їх жароміцність в температурному інтервалі 800...1000 0С. Такі сплави ідуть на виготовлення лопаток турбін реактивних двигунів.

Сировиною для отримання нікелю є окислені нікелеві або сульфідні мід-но-нікелеві руди. В окислених рудах нікель знаходиться у вигляді силікатів nNiO SiO2·mMgO·SiO2·H2O (у цих рудах міститься 1...7% нікелю). В сульфід-них рудах нікель знаходиться в вигляді NiS (в цих рудах 0,3…5,5% Ni, до 2,5% Cu, зустрічається кобальт, платина та інші елементи платиновї групи.

Окислені руди вміщують велику кількість вологи і глинистих речовин. Тому перед плавленням їх подрібнюють, сушать і окусковують шляхом бри-кетування на пресах або агломерацією на стрічкових машинах. Потім їх пере-плавляють в штейн.

Штейн виплавляють в печах шахтного типу з повітряним дуттям. Дуття проводиться через фурми у вигляді щілин. Шихта, яка завантажується у печі складається із брикетів руди, коксу, вапна CaCО3 та інших матеріалів. Отри-маний штейн (або роштейн )є сплав сульфідів нікелю і заліза (Ni3 S2 і FeS), який включає 12...30% Ni, 45...60% Fe, 17...23% S і невелику кількість міді та кобальту.

Плавлення штейна виконують за рахунок продування розплавленого штейна повітрям в конверторах по типу подібних конверторів для виплавки чорнової міді. В першій період плавлення в конвертор заливають першу пор-цію розплавленого штейну (до 10Т), завантажують флюс, кварцевий пісок (SiO2), який ошлаковує залізо і ведуть продування 15...20хв для окислення і видалення заліза. Окислення і ошлакування виконується за реакцією:

2Fe+O2+SiO2=(FeO)2 SiO2+Q

77

Шлак, який отримався зливають і заливають слідуючу порцію штейна, за-вантажують флюс і продовжують продування. Ці операції продовжуються де-кілька раз, при цьому тривалість продування збільшується до 40...45хв. Кон-вертор заповнюється штейном бідним на залізо.В другому періоді продуван-ня інтенсивно окислюється сульфід заліза:

2FeS+3O2+SiO2=(FeO)2 SiO2+2SO2. Отримуємо новий продукт –білий нікелевий штейн (файнштейн), який є

сплавом сульфіда нікеля Ni3S2 і нікеля (75...78%Ni, 20.. ...23% S), невелику кі-лькість кобальту, міді та заліза.

Для видалення сірки із сплаву його подрібнюють до 0,5мм і обпалюють в багатоподових печах без затрат палива (за рахунок горіння сірки ), а потім в трубчастих печах, які обертаються і опалюються мазутом або газом. Отриму-ємо новий продукт NiO за реакцією:

2Ni3S2+7O2=6NiO+4SO2. Слідуючим етапом отримання нікелю є відновлення останнього шляхом

плавлення в дугових електричних печах, подібним до сталеплавильних вміс-том 3,5...10т. Відновлювачем служить деревне вугілля або нафтовий кокс, чи-стий по сірці:

NiO+C=Ni+CO-Q. В процесі плавлення утворюється і розчиняється в рідкому нікелі карбід

Ni3C. Для зниження вуглецю до 0,1...0,3% в кінці плавлення проводять довод-ку присадками закису нікелю Ni3C+NiO=4Ni+CO. Для видалення сірки в піч завантажують вапно. Отриманий чорновий нікель включає 99,2...99,6% Ni+CO, 0.3...0.8 % Fe, 0.04...0.4%Cu.

Для отримання чистого нікелю чорновий рафінують в бітонних ваннах, які футеровані керамічною плиткою (рис.4.13).

кг)люсулніку ловдіаі на

до мупідлумлом

ват7...каркелібн

Анодом 1 с), катодом 2 –юють 30...35 кльфіту нікелюкель, але і мідванні в плосвих та іншихафрагму; елекаправляють нСульфідні мпереробки м

ують мідно-нддають агломм’яних печахмерат, окатишДля виділенти карбонатн.20 МПа і темрбоніли Ni(Cлю Ni(CO)4, яного нікелю.

Рис 4.13. С1 - анод; 2

служать литт– тонкі листикатодів і 31..ю Ni SO4. Прдь, кобальт, зских коробках тканин. Чисктроліт, якийна хімічне очмідно-нікелевмідних руд. Бікелевий конмерації чи окх. Багаті рудиші ) плавлятьння нікелю ізний спосіб. Смпературі білCO)4 , Fe(COякий потім р

78

Схема вічка е2 - катод; 3 -ті пластини іи із рафінован..36 анодів. Ери електроліззалізо. Для заах-діафрагмахстий електролй вміщує домчищення від мві руди перерБідні руди знцентрат. Отркатуванню. Ши в великих кь в електричнз мідно-нікелСплав подрібля 200 0С. В р

O)5 тощо. Рекозкладають п

8

електролізноїкоробки-діафіз чорнового ного чистого Електролітомі на катоді мапобігання цх 3 зі стінкамліт (католіт),ішки (аноліт)міді, заліза і кробляють позбагачують мриманий конШтейн отримкусках і окусних дугових левих файншбнюють і обрезультаті обктифікацією при 3000 С з в

ї ванни: фрагми нікеля (маснікелю. В ва

м служить вооже виділитиього, катоди ми із брезент, неперервно ), неперервнокобальту. технології методом флонцентрат обпують в відбискований конпечах.

штейнів можлробляють СОбробки утворювидаляють квиділенням п

ою 250...360анні встанов-дний розчинись не тількирозміщуютьту, хлорвіні-заливають во видаляють

аналогічнійотації і отри-палюють, абоивальних по-нцентрат (аг-

ливо застосу-О при тискуюються рідкікарбоніли ні-порошкопод-

0 -н и ь -в ь

й -о --

-у і --

79

4.6. Застосування кольорових металів та їх сплавів До кольорових металів відносяться метали крім заліза і сплавів на його

основі. Найбільш поширені в техніці мідь, титан і їх сплави.

Латуні

Латунню називають сплав міді з цинком з вмістом цинку до 45%. За технологічною ознакою латуні діляться на ті, які деформуються, і на ливарні.Ті, які деформуються: латуні марок Л96, Л80, Л62, Л60 тощо.

Для отримання спеціальних властивостей латуні легують. Такі латуні називаються багатокомпонентними чи спеціальними (ЛАЖ60-1-1, ЛМп59-1-1).

Спеціальні латуні мають високі антикорозійні властивості і стійкість до морської води (ЛО70, ЛО62-1). Латунь ЛС59-1 застосовується для виготовлення деталей на верстатах – автоматах і поставляється в прутках.

Ливарні латуні мають велику кількість присадок, які покращують ливарні властивості. Основні марки: ЛК80-3Л, ЛКС80-3-3, ЛАЖМс66-6-3-2.

Бронзи

Бронзи – сплави міді з оловом чи іншими металами. В залежності від ос-новного легуючого елементу бронзи діляться на олов’янисті, алюмінієві і берилієві. В залежності від застосування – на ті, які деформуються, і на лива-рні. Олов’янисті бронзи застосовуються тільки в литому вигляді. Бронза з вмістом олова більше 10% є високоякісним сплавом.

Алюмінієві бронзи БрА3, БрАЖН9-2, БрАЖН1-4-4 включають 5 – 10% алюмінію. Ці бронзи мають високу рідкотекучість. Алюмінієві бронзи мають високі механічні властивості і застосовуються для виготовлення шестерень, втулок і мілких відповідальних деталей.

Алюмінієві сплави

Алюмінієві сплави – ливарні сплави алюмінія. Силумін – сплав алюмінія з

кремнієм (5...14%).Силуміни мають високу рідкотекучість, добру корозійну стійкість. Найбільш поширені сплави марок АЛ2, АЛ4, АЛ5, АЛ6, АЛ8, АЛ9, АЛ11, АЛ12.Сплави АЛ2 не зміцнюються термічною обробкою, сплави АЛ4, АЛ9 зміцнюються термічною обробкою – загартуванням з подальшим старін-ням.

80

Алюмінієві сплави, які деформуються поділяються на 2 групи: - незмінні термічною обробкою; - ті що зміцнюються термічною обробкою. Сплави, які не зміцнюються термічною обробкою – АМц, АМг, АМг3,

АМг5, АМг7 застосовуються у вигляді листів для деталей, які штампуються в холодному стані. Сплави, які зміцнюються термічною обробкою - високоміцні сплави алюмінію з міддю, магнієм, цинком і іншими елементами типу дуралюміній марок Д1, Д16, Д20, В95; сплави для деталей, які виготов-ляються горячим пластичним деформуванням, марок АК5, АК6 , АК8; жароміцних сплавів марок АК4, ВД17.

Загартовані сплави типу дуралюмінія піддаються звичайному старінню при температурі 20 ºС 5 – 7 діб чи штучному старінні при температурі 180...200 ºС 18 – 20 годин.

Сплави для поковок і штамповок типу АК5, АК6,АК8 піддаються загартуванню з штучним старінням.

Таблиця 4.1

Деталі із кольорових металів і сплавів, які застосовуються в машинобудуванні

81

Продовження таблиці 4.1

БрАЖН10-4-4 БрАМЦ92

АК8 АК6

АК4

АЛ5 В95

Д16Т Д16 Л70 Л96 Л68

ДС56-1Л ЛАЖСМЦ66-6-3-1

ЛА67-2,5

БрОЦСК37-5-1

БрОЦС5-5-5 БрО10-11

БрОФ6,5-0,15

АО3-7,АО9-2

АЛ6 АВ АД31

ОЦС6-63 ОСЦ5-7-12 БрОФ10-1 БрОЦ10-2 БрС30

Втулки випускних клапанів Теплостійка арматура, яка працює при підвищених температурах Горячі штамповки Крильчатки вентиляторів компресорів картери,горячі штамповки Деталі двигунів внутрішнього згорання(поршні, селатори тощо) Поршні Деталі двигунів, які працюють при підвищених температурах Відповідальні деталі авіаційних двигунів Кузова вантажних автомобілів Латунь для виготовлення радіаторних стрічок. Радіаторні труби Ущільнюючі кільця радіаторів Втулки шарикопідшипників Черв’ячні гвинти Втулки, арматура, яка працює в агресивному середовищі (морська вода) Арматура, яка працює в морській воді під тиском до 25 ат/cм 2 Вкладиші підшипників Шестерні, втулки, які працюють при великих питомих тисках Олов’яниста бронза для вкладишів підшипниках і втулках….. Алюмінієвий антифрикційний сплав для виливки вкладишів і втулок Карбюраторні деталі Ковані деталі Деталі оздоблення кабін і салонів автомобілів Арматура двигунів Гайки ходових гвинтів Гайки ходових гвинтів зубонарізних верстатів Підшипники шпинделів Підшипники ходових гвинтів токарно-гвинторізного верстата 1И611П

Марка матеріала Область застосування 1 2

ОЦС6-6-3

БрАЖ9-4 ОЦС6-6-3 БрАЖ9-4

БрОФ 6,5-0,5 БрОЦС 4-4-2,5 БрОЗЦ7С5НІ

БрАЖ9-4

БрОЦС4-4-2,5

Підшипники металорізальних верстатів швидкістю до 10 м/с Черв’ячні колеса металорізальних верстатів Вінці черв’ячних коліс Гвинтові колеса верстатів Пружини Прокладки в підшипниках і втулках Оловяниста ливарна бронза для деталей які працюють в маслі Сідла клапанів двигунів, втулки Олов’яниста бронза для прокладок в підшипниках і втулках в та інших галузях машинобудування

82

Порошкова металургія

5.1. Отримання і підготовка порошків. 5.2. Формування порошків. 5.3. Спікання і обробка спечених виробів. 5.4. Пористі порошкові матеріали. 5.5. Конструкційні порошкові матеріали.

Порошкові сплави – це металевий порошок (залізний, із кольорових спла-

вів, в деяких випадках з добавкою графіту та інших домішок), спресований при високому тиску і спечений. Такий спосіб отримання порошкових сплавів називається порошкова металургія.

Порошкова металургія включає слідуючи етапи: виробництво порошків металів та інших матеріалів, формування заготовки із порошку пресуванням або прокаткою; спікання заготовки при температурі, яка є нижчою від темпе-ратури плавлення основного компоненту; обробку спеченого виробу механіч-ним шляхом.

Порошкова металургія має ряд суттєвих переваг перед іншими видами отримання деталей (литтям, обробкою тиском, термообробкою) тих чи інших структур, властивостей і складом. Перша перевага – це неможливість отри-мання такої деталі іншим шляхом (багатокомпонентні вироби), друга - суттєво менші витрати матеріалів, третя – точне витримання форми і розмі-рів, четверта – безвідходність виробництва.

Вперше методом порошкової металургії була отримана ковка платина спі-канням платинового порошку в 1826 році російськими вченими П.Г.Соболев-ским і В.В.Любарским. Пізніше ця технологія не використовувалась. Тільки на початку XX століття, коли стало питання про виробництво вольфрамового дроту для ламп електронакалювання та мідно – графітових щіток для елект-ричних машин ця технологія почала використовуватись. В кінці 20 років ме-тодом порошкової металургії почали виготовлятись тверді сплави для мета-лорізальних інструментів. В 50-ті роки – підшипники, фрикційні накладки, фільтри, високотемпературні матеріали.

Технологія порошкової металургії дозволяє отримувати вироби як із одно-го металу (такі вироби називаються однокомпонентними), а також із суміші порошків металів або металів з неметалами (багатокомпонентні вироби). По цій технології можливо отримати сплави із металів, які не змішуються в рід-кому стані (залізо – свинець, вольфрам – мідь), а також із металів з немета-лами (мідь – графіт, карбід вольфраму – кобальт), із деяких оксидів металів (Fe3O2 і MnO, Fe2O3 і NiO).

Вироби, які отримаються порошковою металургією, можуть бути м`якими і твердими, фрикційними і антифрикційними, з високою електричною провід-

83

ністю і високим електричним опором, жаростійкими і холодностійкими, маг-нітомягкими і магнітотвердими.

5.1. Отримання і підготовка порошків

Отримання порошків можливо двома шляхами: механічним і фізико – хі-

мічним. Частинки порошків для різних виробів мають розміри від 0,01 до 1000мкм, форма частин залежить від способу виробництва порошків і може бути сферичною, тарільчатою, каплеподібною, губчатою, пористою тощо.

До механічних способів отримання порошків відносяться: подріблення і розмелювання в різних млинах; розпилення струменя розплавленого металу лопастями, які обертаються, або струменем стисненого газу; грануляція роз-плавленого металу при литті в рідину; обробка металів різанням з отриман-ням стружки надлому.

Розпиленням рідких сплавів отримують порошки алюмінію, цинку, міді, легованих сталей ,чавунів. Метал розплавляють в електропечах. Для розпи-лення використовують повітря, азот, аргон; форма частинок при розпиленні сферична або каплеподібна.

Розмелювання крихких матеріалів (феросплавів, чавунів, мінералів) вико-нуються у шарових або молоткових млинах . Більш в'язкі метали (низьковуг-лецеві сталі, хром, нікель) розмелються у вихрових млинах, швидкість обер-тання біл в яких до 3000 об/хв. При цьому форма частинок – тарільчаста.

Після отримання порошки класифікують по фракціях ситовим методом. Форма частин визначає їх поверхню і впливає на насипну щільність, теку-

чість ( швидкість висипання із воронки). Механічні методи отримання порошків не дозволяють регулювати ні фор-

му частинок порошку, ні його склад. Тому перевага при виробництві порош-ків надається фізико – хімічному методу. Це відновлення металів із оксидів та інших з’єднань, при цьому вихідною сировиною служить оксид, відновлю-вачем – газ (водень, дисоційований аміак, природний газ тощо), або твердий вуглець у вигляді коксу, сажі, може застосовуватись метал (алюміній, каль-цій, магній, натрій).

Газоподібні і тверді вуглецеві відновлювачі застосовують для отримання порошку заліза. Газоподібні відновлювачі застосовують для виробництва по-рошків міді, нікелю, кобальту. Відновлення оксидів воднем дозволяє виготов-ляти порошки вольфрама і молібдена. Порошки титану, танталу, цирконію і ніобію отримують металотермічним способом – відновлення їх металами чи гідридом кальцію. Порошки легованих сталей і ніхромів отримують віднов-ленням гідридом кальцію. Для цього суміш залізного порошку, закис нікелю, окис хрому і гідрид кальцію нагрівають до 1100...12000С. Так можна отрима-ти порошки легованих сталей любої марки. Електролізом водних розчинів со-лей отримують порошки міді, нікелю, срібла; електролізом розплавів – поро-шки титану і танталу.

84

Порошок перед пресуванням повинен пройти відпал, просіювання на фра-кції і змішування.

При відпалі видаляються оксидні плівки, знімається наклеп, підвищується пластичність. Просіювання на фракції виконується для того щоб використо-вувати зерно заданого розміру. Зерна більші 50мкм розсіюються на фракції за допомогою набору сит, а більш мілкі – в повітряному сепараторі.

Змішування застосовується для рівномірного перемішування порошків. Для цього застосовуються різні змішувачі, а також шарові млини. Рівномірне перемішування буде краще, коли щільність компонентів буде ближче одна до одної.

5.2. Формування порошків

Формування порошків – це надання порошковому матеріалу форми, роз-

мірів, щільності і міцності, які необхідні для виконання наступних операцій виготовлених виробів.

Пресовки отримують холодним пресуванням в пресформах (рис.5.1), гар-ячим пресуванням, поздовжнім, поперечним і поперечно – гвинтовим прокат-уванням, методами, які застосовуються при формуванні полімерних матеріа-лів – екструзією (видушування порошку через мундштук з отвором, переріз якого визначає форму виробу), ливарним пресуванням (рис.5.2) і гідростатич-ним з ущільненням, коли порошок розміщують в герметичну оболонку(із гу-ми), яка деформується і ущільнюється при всебічному тиску рідкого середо-вища на цю оболонку. Тиск пресування знаходиться в межах від 300 до 1000МПа, тверді сплави пресують під тиском 100…150МПа тому, що частин-ки карбідів крихкі і при великому тиску подрібнюються.

Рис.5.1. Пресформа для пресування порошків:

p

24

3

1

засстістевиркіл

масдет

Для зменшестосовують зінки. В якосеарінову кислробу збільшлькість змащу

1- порш Виготовлсового виробталі, які отри

1 - пуансон

ення тертя позмащувальні сті змащуваллоту та її сошується кільувальної речо

Рис.5.2.шень; 2- зава

лення пресовибництва, так яимані із метал

85

н; 2 - матриця

рошків, як в речовини, якльної речовиолі, дисульфідькість змащовини колива

Схема ливарантажувальна

их виробів дяк пресформлевих порошк

я; 3 - основа;

середині таккі вводять в ини застосовуд молібдена.

щувальної реається в межа

рного пресува камера; 3- л

доцільно в умми досить дорків.

4 - порошок

к і по поверхнпорошок абують парафі. З збільшеннечовини. В ах 0,1...1,5%.

ання: ливник; 4- фо

мовах крупнрогі. На рис.

ні пресформибо змащуютьін, гліцерин,ням розмірівсередньому

орма

носерійного і5.3 наведені

и ь , в у

і і

препре

ти пре

вну3...час

нівпусрисеф

де кое

повмехмар

Рис.5.

Пресування есформу, преесовки із преПісля пресуїї із форми. есування. Після видалутрішніх нап.5% в напрямс між пресуваРозміри і фо

в) повинна буск на усадку стання металіцієнта викор

Мд – маса оефіцієнт викоВисокі вимоверхні Ra=0ханічні властрок ХВГ, Х1

.3. Приклад д

металевих песування на есформи. ування до преЦе зусилля

лення пресовкпруг. Це явмку пресувананням і спікаорма поверхнути близькоюі на механіч

лу при цьому ристання мет

обробленої деористання меоги ставлять

0,16…0,32ммтивості. Для

12М, 9ХС, У886

деталей, які о

порошків вклгідравлічних

есовки необх(тиск вишто

ки із форми, ище називаєння і 1...5% ванням не повині деталей прю до готової чну обробку, складає 0,97талу має насту

.мвк =

еталі, Мпресеталу може буься до пресфм, матеріал цих цілей з

8, У10, Р9, Р6

отримані із ме

лючає дозувах чи механіч

хідно прикласвхування) ск

остання розбється пружн перпендикулинен бути білресформи (мадеталі. В вирякщо це нео

7...0,99. Залежупний вигляд

,прес

д

ММ

– маса пресути рівний форм, вони пвиготовленнязастосовують18, Р6К5; тве

еталевих пор

ання шихти, чних пресах

сти зусилля, кладає 25...40

бухає, що виким наслідколярному напльше декількатриці, пуансробі передбаобхідно. Коефжність для вид:

овки. В деяк0,91. повинні матия повинен ься інструменерді сплави В

рошків.

її засипки ві видалення

щоб видали-0% від тиску

кликано дієюом і складаєпрямку. Томуох годин. сонів, стерж-ачається при-фіцієнт вико-изначення ко-

ких випадках

и шорсткістьмати високінтальні сталіВК – 8, ВК –

в я

-у

ю є у

----

х

ь і і –

87

15 та металокерамічні сплави. В середньому пресформа витримує до 100 тис. пресовок.

При пресуванні змінюється форма частинок порошку із сферичної перетворюється в подібну до багатогранника. Збільшується відносна густина пресовки, зменшується пористість. Збільшується поверхня контакту і щеп-лення частинок за рахунок їх взаємного тужавлення і дифузії по чистим пове-рхням. В місцях де руйнувалась оксидна плівка, і за рахунок електростати-чних сил також проходило щеплення.

Ущільнення порошку в різних точках заготовки неоднакове. Найбільша щільність виробу під пресуючим пуансоном, найменша –на дні матриці. Не-рівномірність ущільнення спостерігається і по площині, яка перпендикулярна дії сил: в верхній частині виробу краї щільніші, в нижній – центр щільніший.

Застосовуються як роз’ємні так і нероз’ємні матриці. Із роз’ємних мат-риць готові пресовки видаляються після розбирання останніх. Пластинки твердих сплавів для різальних інструментів отримають у глухих матрицях при односторонньому русі пуансона. Двухстороннє пресування дозволяє зме-ншити нерівномірність ущільнення, але при спіканні такої пресовки в серед-ній її частині пройде найбільша усадка з утворенням “талії”. Тому конструк-ція пресформи і технологія пресування повинна забезпечити однакову щіль-ність готових пресовок.

Одним із видів формування порошків є ізостатичне пресування. Порошок розміщують в гумову оболонку товщиною 0,1...0,15мм, ущільнюють вібру-ванням і вакуумують для видалення повітря із пор. Оболонку з порошком розмішують в робочу камеру, в яку нагнітають рідину або газ під великим ти-ском. Порошок в оболонці рівномірно обтискається з усіх сторін. Зовнішнє тертя порошка відсутнє, так як оболонка переміщується разом з порошком. При цьому тиск пресування набагато менший чим в першому випадку, а щільність пресовки отримується однаковою.

Цей вид пресування поділяється на гідростатичний і газостатичний. В першому випадку обтиснення виконується рідиною (масло, вода, гліцерин), в другому – газом. Гідростатичним пресуванням отримують циліндри, труби, тиглі, вироби складної форми, шари тощо. Маса пресовок може досягати 500кг. Оболонка із маси на основі натурального каучука витримує до 1000 циклів пресування. До недоліків ізостатичного пресування відносяться – ни-зька продуктивність і невисока точність.

Вироби в вигляді стрічок формують прокатуванням порошків та їх сумі-шей між гладкими валками. Одночасне прокатування двох порошків різних металів або металевого листа з шаром порошку дозволяє отримати багатоша-ровий прокат. Але товщина прокатування невелика тому, що кут захвату не перевищує 130. Широко застосовується прокатування в вакуумі або інертно-му газі порошків із активних металів (титану, танталу, цирконію).

Вироби в вигляді прутків, труб, кутників отримують за допомогою мунд-штукового пресування. Суть цього методу заключається в тому, що порошок

88

з пластифікатором розміщують в контейнер і видавлюють його пуансоном через отвір в мундштуку. Пластифікатором служить парафін, крохмаль, полі-вініловий спирт. Підігрітий порошок дає можливість обходитись без пласти-фікаторів. Алюміній та його сплави пресують при 400...600оС, нікель і сталь при 1050...1250оС, мідь при 800...900оС. Хімічно активні метали титан, цирко-ній, берилій пресують в захисному середовищі або захисних оболонках із скла, графіту або металевої фольги.

Вироби складної форми отримують шлікерним формуванням. При цьому в пористу форму шлікера заливають однорідну концентровану суспензію по-рошка в рідині. Кількість порошка складає 40...70%. Твердий шар створюєть-ся за рахунок того, що рідина входить в пори форми і частинки осідають на її стінках. Формування шару займає до 60хв в залежності від товщини стінки виробу. Потім виріб сушать при температурі 100...150оС.

5.3. Спікання і обробка спечених виробів.

Спікання є спеціальний відпал спресованих заготовок з метою підвищен-

ня його механічних властивостей. При формуванні поверхня контакту між частинами порошку складає невелику частину загальної поверхні. При спі-канні ця поверхня значно збільшується, при цьому зростає щільність металу і його міцність.

При спіканні проходить відновлення окислів на металевих частинках і утворення міцного металевого контакту. При цьому спостерігаються явища знімання внутрішніх напруг і викривлення в кристалічній решітці, рекристалізація і дифузія.

В результаті спікання маломіцні механічні зв’язки між частинками поро-шку замінюються більш міцними міжатомними зв’язками.

Температура спікання в першу чергу залежить від величини частинок по-рошку, які спікаються. Тонкі порошки мають велику внутрішню і зовнішню поверхню тому температура спікання таких порошків нижче чим порошків більші великої фракції того ж складу.Порошки мають внутрішню поверхню тому, що частинки пористі.

Спікання виконується в печах з захисною атмосферою. При цьому темпе-ратура спікання заготовок, спресованих із порошку одного металу складає приблизно 75% від температури плавлення цього металу. Для заліза ця тем-пература складає 1100...1200, для міді 800...900, для молібдену 2100...2300оС.

На першій стадії спікання знімається наклеп і залишкові напруги, що су-проводжується послабленням фізичного контакту між частинками. Щільність при цьому практично не змінюється.

При температурі приблизно 50% від температури плавлення відновлю-ються оксиди і видаляються із пресовки газоподібні речовини. Підвищення, або пониження щільності на цій стадії залежить від кількості оксидів і харак-теру пороутворення, що впливає на видалення газів.

89

При температурі близькій до 75% від температури плавлення проходить дифузійна рекристалізація з повним розвитком металевих контактів і ущіль-нення матеріалу.

Спікання двох або багатокомпонентних пресовок виконується при темпе-ратурі вищій точки плавлення найбільш низькоплавкого компоненту, який вводиться в суміш в якості зв’язки. При спіканні утворюється рідка фаза. На-приклад, температура спікання порошків міді і олова 700...8000, заліза і міді 1100...12000С.

В залежності від взаємної розчинності компонентів і здатності утворювати хімічні сполуки отриманий після спікання матеріал є однофаз-ним або багатофазним.

Тривалість спікання складає до 3 годин. Доцільно проводити спікання в нейтральному або відновлювальному середовищі, такому як вакуум, водень, азот тощо. При цьому не буде окислення пресовок. Якщо на поверхні пресо-вок знаходяться оксиди, які не відновлюються воднем, то в шихту вводять вуглець в вигляді сажі, який відновлює при нагріві оксиди титану, магнію, хрому, ніобію, танталу.

Температури спікання виробів із порошків на основі заліза складають 1100...12000С, на основі міді-800..9500С. І для цих цілей застосовуються елек-тричні печі. Для спікання порошків при температурах 11000С в електричних печах застосовуються опори з ніхромовими елементами, при температурі до 15000С – з молібденовими елементами, до 25000С – з вольфрамовими елемен-тами. Для спікання при більш високих температурах через виріб пропускають електричний струм, або застосовують високочастотний нагрів.

Пресування і спікання можна об’єднати в одну операцію (гаряче пресу-вання). При цьому застосовуються більш низькі температури (на 10...30% ни-жче від температур спікання холоднопресових заготовок), а тиск складає 5...10% тиску звичайного пресування.

Обробка спечених виробів. У деяких випадках виробництва спеціальних видів виробів застосовують

просочування спресованного і спеченого каркасу із тугоплавкої речовини легкоплавким сплавом. Необхідною вимогою просочування є змочування ту-гоплавкої речовини розчином. Просочування виконують зануренням порис-того каркасу в розчин або на пористий каркас кладуть кусочок легкоплавкого сплаву і розплавляють його в захисному середовищі. Мідь просочують свин-цем, карбід титана –сталлю, вольфрамові волокна –міддю або мідно-нікелевими сплавами.

До додаткової обробки спечених виробів відносять: регулювання структу-ри термообробкою, доводки виробу по розміру – калібрування або механічна обробка. Калібрування виконують в спеціальних калібровочних пресформах. Зусилля калібрування складає 10...25% від зусилля пресування. Калібруван-ням можна досягти 1...2 класу точності при 7...9 класах чистоти поверхні. Тому, що спечені вироби пористі то механічним шляхом їх обробляти важко.

90

А в процесі роботи спостерігаються вириви і досить важко отримати необхід-ну чистоту поверхні. Тому виконують механічну обробку на високих швид-костях твердосплавним інструментом з спеціально підібраними кутами різан-ня.

5.4. Пористі порошкові матеріали

Пористі порошкові матеріали мають пори, які рівномірно розповсюджені

по всьому об’єму пресовки. В залежності від відсотку цих пор в загальному об’єму пресовки останні поділяються на: антифрикційні пористі порошкові матеріали (пористість 15...35%), фрикційні пористі порошкові матеріали (по-ристість 10...13%), фільтри (пористість 25...50%), пористі і піноматеріали (по-ристість 95...98%).

Найбільш поширеною групою є антифрикційні пористі матеріали, які ви-користовуються для підшипників ковзання. Основою цих підшипників є по-ристий матеріал, який заповнений змащувальним матеріалом, що виконує примусовий підвід останнього. Це особливо необхідно для чистих вироб-ництв фармацевтичної та легкою галузі. Ці підшипники витримують більші навантаження чим литті, а при збільшенні швидкості обертання в них змен-шується питомий тиск. В цих підшипниках вал майже не спрацьовується і шум зменшується в 3...4 рази чим в шарикових підшипниках.

Спочатку для пористих підшипників застосовували бронзу, яка в подаль-шому замінилась залізом, залізо – графітом з добавкою 5...7% міді. Виготов-ляють також мідно-графітові, бронзо-графітові підшипники, в яких графіт змішується з маслом і покращує умови змащування підшипника. Введення сі-рки в склад змащувальної рідини дозволяє підвищити робочу швидкість до 80м/с і підвищити допустиму робочу температуру.

Корінні та шатунні підшипники автомобільних двигунів виготовляють слідуючим чином: на стальну стрічку напиляють пористий шар суміші мідь – нікель – графіт і просочують зверху бабітом . Таким чином вкладиш підшип-ника буде трьохшарний і він має більш високі антифрикційні властивості і більш довговічний чим стальний з бабітовою заливкою.

Для роботи підшипників при температурах 5000С і в вакуумі розроблені пористі матеріали на основі з’єднань карбідів, боридів тугоплавких сполук.

В якості твердого мастила застосовуються сульфіди, селеніди і гек-сагональний тітрид бора.

При спіканні титану, бронзографіту, нержавіючої сталі з фторопластом Ф – 4Д або Ф – 4ДП отримують металопластмасові антифрикційні сталі, які мають високі корозієстійкі і зносостійкі властивості. Ці матеріали працюють вдвоє довше чим антифрикційні матеріали інших типів.

Технологічна схема виготовлення підшипникових втулок складається із пресування і спікання порошків, просичення виробу маслом і калібрування пресуванням. Ці вироби не потребують механічної обробки.

91

Фрикційні порошкові матеріали.

Фрикційні спечені матеріали застосовують для прокладок в гальмівних дисках машин, колодок в тракторах, стрічках в гальмівних барабанах підйомно – транспортних машин і муфтах щеплення. В їх склад входить мідь, залізо, олово, графіт, кремній. Ці матеріали витримують тиск до 7МПа і температуру до 5500С . Найбільш широке застосування в промисловості знайшли фрикційні сплави, які складаються із 60...75% міді, 5...8% олова, 5...10% цинку, до 22% нікелю, до 22% заліза, 0.5% окису кварцу, 4...8% графіту, 0.3% азбесту. Фрикційні матеріали на основі азбесту (типу ферідо) і литі металеві (чавун, сталь, бронза) не можуть працювати в таких умовах, коли поверхні миттєво нагріваються до 12000С. Для цих умов застосовується спеціальні багатокомпонентні матеріали.

По призначенню компоненти фрикційних матеріалів поділяються на: - основі міді і її сплавів – для робочих температур до 500...6500С

(приклад наведений вище); - основі заліза, нікеля та сплавів на їх основі – для роботи при сухому

терті і температурах до1000...12000С; - тверді змащувальні матеріали – запобігають мікросхоплюванню при

гальмуванні і запобігають їх зношуванню. В якості твердих змащувальних матеріалів використовується свинець, олово, графіт, вісмут, сульфати барія і заліза, нітриди бора;

- матеріали, які забезпечують високий коефіцієнт тертя (азбест, кварцовий пісок, карбіди кремнію, бора, хрому, титана, оксиди алюмінію і хрома.

Фільтри. Фільтри, які отримують із спечених порошків по зрівнянню з фільтрами

виготовленими із паперу, фібри, фетра, металевих сіток, фторопластових і нейлонових пористих матеріалів мають більшу міцність, теплостійкість, стабільність форми і можливість очищення стисненим газом, рідиною або хімічною чи термічною очисткою. Особливо ефективні ці фільтри коли необхідна тонка фільтрація. Ці фільтри можуть працювати в інтервалі температур 300...9000С і бути корозієстійкими і жароміцними. Такі фільтри затримують частинки розміром до 1мкм. Тому їх доцільно використовувати для очищення рідин від твердих частинок, повітря і газів від пилу, а також для регулювання кількості рідини і газів.

Фільтри виготовляють із порошків заліза, сталі, бронзи, титану, нікеля, срібла, латуні. Для металургії і хімічної галузі фільтри виготовляють на основі нікелевих сплавів, вольфраму, молібдена та тугоплавких сполук.

Фільтруючі елементи можуть мати вигляд стаканів, циліндрів, втулок, дисків, плит, труб, стрічок. Розміри їх знаходяться в інтервалі 1,5...1000мм.

92

Фільтри із спечених матеріалів дають великий економічний ефект, вони можуть працювати тисячі годин і піддаватись регенерації в процесі роботи. Застосовуються фільтри в декілька шарів з різною пористістю і діаметром пор. Перший шар затримує більш великі частинки, другий і наступні –мілкі. Це дає можливість фільтру не забиватись. Установка пористих матеріалів із нержавіючої сталі в холодильниках доменних печей дозволила перейти на випаровувальне охолодження взамін водяного, що привело до значного змен-шення витрат води і збільшило срок служби вогнеупорів.

Пористі і піноматеріали.

Такі матеріали застосовуються як заповнювачі і теплоізоляція в авіаційній

техніці та інших галузях. Завдяки високій пористості вони мають досить низьку щільність. Наприклад, щільність вольфраму 19,3г/см3, а піновольфраму – 3г/см3.

5.5. Конструкційні порошкові матеріали Конструкційні порошкові матеріали є найбільш поширеними матеріалами

порошкової металургії. В більшості випадків вони не потребують механічної обробки і припуск на останню в них не передбачений.

Як правило міцність в них дещо нижча чим у кованих деталей і пористість складає 84...85% при холодному пресуванні. Високошвидкісне пресування дозволяє отримати щільність 94...95% і дещо більшу міцність.

Наявність пор в матеріалі виконує свої додатні функції: зменшує шум під час роботи, покращує притирання деталей, а заповнення пор маслом дозволяє зменшити тертя і зношення деталей. Рівень міцностних характеристик задо-вольняє потреби мало і середньо-навантажених виробів.

Найбільше поширення отримали порошкові конструкційні матеріали в ав-томобілебудуванні, де найбільш застосовуються деталі масового виробницт-ва.

В маркуванні порошкових конструкційних сталей додатково вводяться буква “С,” яка вказує на матеріал-сталь, і буква “П” - порошкова. Цифра піс-ля риски вказує на щільність сталі в відсотках. Наприклад, порошково-конст-рукційні СП10-1... СП10-4, СП30-1... СП30-4, СП30Д3-2, СП60Н2Д2-2, СП40Х-2, СП45Х3-2; мартенситно-старіючі СПН12К5М5Г4ТЮ, СПН12Х5МЗТ; корозієстійкі СПХ17Н2, СПХ18Н15, СПХ23Н28.

Внаслідок більш низьких механічних властивостей такі сталі використо-вуються для виготовлення малонавантажених виробів, як правило складної форми. Зі спечених сталей можуть бути виготовлені кулачки, храповики, ша-рові вставки, корпуси підшипників, зірочки розподільчих валів, ролики. Ці деталі доцільно виготовляти із залізного порошку і графіта разовим пресу-

93

ванням і спіканням. Деталі складної конфігурації можна отримувати пресу-ванням і спіканням, з подальшим повторним спіканням їх при попередньому складанні.

Марки і характеристики міцності ряду спечених матеріалів на основі залі-зного порошку наведеного в таблиці 5.1.

Таблиця 5.1. Спечені матеріали на основі порошка заліза.

Марка

Тим-часовий опір, МПа

Від- носне видов-ження,

%

Марка

Тим-часо-вий опір, МПа

Від- носне видов-ження,

% Ж10-60 Ж10-63 Ж10-63 Ж10-70 Ж50-60 Ж50-63 Ж50-63 Ж50-70 Ж50-76

120 140 170 210 160 190 220 300 900

2 3 5 9 1

1,5 2,5 3,5 4

Ж10Д3-66 Ж10Д-70 Ж50Д3-60 Ж50Д3-63 Ж50Д3-66 Ж50Д3-70

Ж10Н4Д2-66 Ж10Н4Д2-70 Ж50Н3Д2-66

260 340 200 250 300 360 250 340 320

4 7

0,5 1

1,5 3 5 6 3

Ж20-76 Ж90-76

Ж10Д3-60 Ж10Д3-63 Ж20Х2-76 Ж40Г2-76 Ж30Н3М-76

500 1000 170 210 850 900

1100

10 1 2

2,5 4 4 2

Ж50Н3Д2-70 Ж40Н3Д2Х-

66 Ж20Н3Д5Х-

60 Ж60Н3М-76 ЖД20-78(Пр) ЖЛ20-78(Пр)

440 800 500

1150 400 400

4,5 1

1,5 2 3 5

Для виготовлення цієї групи використовується суміші: залізо – графіт;

залізо – мідь – графіт; залізо – чавун; залізо – графіт – легуючі елементи. Введення графіту в залізний порошок проходить під час спікання. Наведені в таблиці 5.1 спечені матеріали розшифровуються слідуючим чином: цифри після букви Ж – вказують вміст вуглецю в сотих долях відсотку, дальше – вміст легуючих елементів і їх кількість, як і в марках сталі, і після риски щільність виробу помножена на десять в г/см3. Наприклад, марка Ж20Д5Н3Х-60. Матеріал на основі заліза з 0,20% вуглецю, 5% міді, 3% нікелю, 1% хрому при щільності 6,0г/см3. Малонавантажені деталі виготовляють із матеріалів з тимчасовим опором до 250МПа,

94

середньонавантажені – 300...500МПа, сильнонавантажені – 500...800МПа і більше.

Матеріал ЖД20-78(Пр), ЖЛ20-78(Пр) отримані просоченням спеченого залізного каркасу міддю і латунню відповідно. Матеріали з щільністю 7,6г/см3 отримані динамічним гарячим пресуванням.

Шестерні для потреб машинобудування виготовляють із порошків заліза і графіта або із заліза, графіта з міддю з легуючими елементами. При цьому собівартість шестерень складає 30...80% від собівартості шестерень виготовлених із прокату, трудозатрати при цьому скорочуються на 50%. Для більшої точності шестерні після спікання калібрують і доводять, а просочування пор маслом дає можливість знизити зношування і зменшити шум при роботі.

Для виготовлення поршневих кілець застосовується залізний порошок, в який добавляють 1,1% графіту, 2% міді і 4% сульфіда цинка. Кільця роблять з двох шарів. В зовнішній шар вводить 6% хрому і збільшують вміст графіту до 3,5%. Це приводить до збільшення зносостійкості кілець, відповідно збільшується пробіг автомобіля, витрати масла скорочуються в 1,5 рази.

Застосування порошкової металургії знижує собівартість кілець на 30...40%, зменшуються витрати металу. Ці кільця міцніші за чавунні в 1,5...2 рази, по зносостійкості в 1,5...3 рази, по пружності в 1,2...1,5 рази (пружність зберігається при температурі до 350...4000С.)

Поруч з чорними металами в якості основи, застосовуються і кольорові. Спечені сплави із порошків на основі алюмінію СПАК-4, СПАК-4В, які замінюють сплав АК4-1, дозволять підвищити жароміцність і корозієстійкість при виготовленні порошків важконавантажених двигунів внутрішнього згоряння та інших виробів, які працюють при високих температурах.

Застосовуються порошкові матеріали на основі міді (бронзо-графітні шестерні). Їх властивості кращі чим у литих шестерень із-за більшої однорідності хімічного складу і відсутності включень.

Для роботи при температурі 200...4000С розроблені порошкові матеріали: які включають 1,4% хрому, 1%цирконію, на основі алюмінієвого порошку; або 6...9% магнію, 1% хрому. Ці матеріали мають високу межу текучості і корозійної стійкості. Тимчасовий опір останнього сплаву складає 320...360МПа, відносне видовження 18%, що дає можливість з успіхом замінити прокат і поковки із сплавів АМг6 і АК-8.

Спечений порошковий титановий каркас з магнієм (магнію від 10 до 80%) дає можливість виготовляти листи, прутки, труби.

Наряду з машинобудуванням сплави на основі кольорових металів знайшли широке впровадження в приладобудуванні та електронній техніці. Найбільш поширені це АЛП-2, АЛПД-2-4, АЛПЖ12-4, БрПБ-2, БрПО10Ц3-3, ЛП58Г2-2, БрП010-2 тощо. Перші букви вказують на клас матеріалу: “АЛ”- алюміній; “Б”- берилій; “Бр”- бронза; “Л”- латунь. Буква “П”-

95

порошковий сплав, число після риски – щільність матеріалу в відсотках. Буква “Д”- мідь, “Ж”- залізо, “Г”- марганець тощо. Цифри в маркуванні вказують склад сплаву в відсотках.

Економічна ефективність при використанні порошкової металургії досягається завдяки скороченню або повному виключенню механічної обробки. Внаслідок високої вартості пресформ виготовлення деталей машин методом порошкової металургії ефективно тільки в масовому виробництві.

Застосування порошкових матеріалів доцільно при виготовленні деталей простої симетричної форми – циліндричної, зубчастої, конічної; малої маси і розмірів. Конструкція і форма повинні дозволяти рівномірно заповнювати порожнини пресформ порошками, їх ущільнення, розподілення напруг і температури при пресуванні і видаленні виробу із пресформ. Форми не повинні мати отворів під кутом до осі заготовки, внутрішніх порожнин, виступів і виямок.

Основи технології ливарного виробництва

6.1. Історія розвитку ливарного виробництва. 6.2. Загальні поняття ливарного виробництва. 6.3. Ефективність використання металу при литті порівняно з іншими

видами обробки металів. 6.4. Усадка ливарних сплавів та припуски на механічну обробку. 6.5. Дефекти виливок. 6.6. Плавильні агрегати.

6.1. Історія розвитку ливарного виробництва

Ливарне виробництво як і металургія зародилася в перших великих культурних центрах – в долинах Тигра і Євфрата , а також Ніла. Народність шумери, які жили на межі III – IV тисячоліття до нашої ери по річках Тигр і Євфрат, виливали із золота вироби, які і сьогодні залишились такими ж чистими і блискучими, якими були в ті давні часи.

Золото, срібло, а потім мідь і бронзу плавили в тиглях на вогнищі і розливали в форми. Форми, як правило, виготовляли із глини (для отримання виливки необхідно ливарний сплав, форма і модель). Модель – це копія майбутньої виливки. В той час моделлю служила воскова фігура, яка обмащувалася глиною. В глині робився отвір для заливання металу і виходу газів. Після прокалювання форми віск виплавляється і вона набуває міцності. Після цього в неї заливають метал. Потім форма руйнується і з неї отримаємо виливку.

В Давній Русі ливарне виробництво досягло розквіту на рубежі XII – XIII сторіччя. Форми в той час виготовляли із твердого каменю. З’явилися двохсторонні форми з розгалудженною ливниковою системою. Після каменю

96

формування поширилось на глину. В основному виготовлялися мідні та бронзові вироби (прикраси, зброя в вигляді наконечників стріл та списів, сокири, предмети домашнього вжитку – казани, миски тощо). В руських літописах за 1067 рік згадується про вилитих дзвонах , які встановлювалися у храмах Новгорода. В XIV сторіччі руські майстри – ливарники освоїли виготовлення бронзових гармат, що мало велике значення для захисту держави.

В XV сторіччі з’явився новий метал – чавун, з якого ливарники почали виливати труби, дзвони, вагові гирі тощо. Поява на Русі чавунних труб датується 1445 роком.

В XVI сторіччі з’являється нове в технології виготовлення форм. Зокрема глину змішували із шерстю і кварцовим піском для підвищення технологічних властивостей останньої.

Слідуючим кроком в розвитку ливарного виробництва було застосування замість глини більш міцнішого матеріалу – гіпсу. Після виготовлення гіпсової моделі майстер виготовляв гіпсову форму, яка складалася із декількох частин, які можна було зняти із моделі. Зовні гіпсові куски покривались зовнішнім шаром гіпсу, який затвердівав і утворював як би раковину для кусків гіпсу. Таким чином, форма складаеться із двох шарів: внутрішнього (окремих кусків) і зовнішнього (кусків раковини). Внутрішню поверхню гіпсової форми покривали восковим шаром такої товщини, яку повинна мати виливка. Потім встановлювали металевий каркас – основу стержня. Навколо неї знову складали гіпсову двохшарову форму. Заливали всередину спеціальний стержневий склад на основі алібастра. Після його затвердіння форму розбирали, шар воску при цьому залишали на стержні. Модель обробляли, зачищали, припаювали в основі ливникові канали. Кісточкою наносили особливий формувальний склад, який висихав і утворював облицювальний шар форми. Утворену форму обкладали цеглою товщиною 150...200 мм, стягували металевими обручами. Сушку виконували на місці. Після виплавки воску форму нагрівали до 900...950С і заливали розплавлену бронзу. Після охолодження форма руйнувалася, виливка очищувалася і при необхідності на останній наносилася чеканка.

Дзвони виготовляли в наступній послідовності (рис.6.1). Виготовлявся низ форми 2, який називався „болваном” . „Болван” виготовлявся із цегляної кладки 4 і обмащувався глиною. Внутрішню порожнину заповнювали глиною 1. Для виготовлення великих дзвонів форму встановлювали в ямі. Плавили метал в печах, які розміщували неподалік форми. Потім виготовляли тіло дзвонів 5 , яке формували із декількох шарів глини за допомогою шаблонів. Після кожного нанесення шару глини шаблон урізували. Для запобігання утворення тріщин в глину вводили лляні волокна, які розтягували по колу форми. Після формування контура тіла на нього наносили орнамент із воскової маси.

97

В останню чергу виготовляли кожух 3, який і є верхньою опокою. Його виготовляли також із глини, яка змішувалась разом із порубленою шерстю тварин і льна. Шар товщиною 5...7 мм сушили на протязі 10...16 годин, потім наносили наступний. Для зміцнення верхньої опоки 3, в останню вводили залізні армуючі полоси 6. Після сушіння кожух знімали і ремонтували. Простір між формою і стінками ями засипали піском і щільно утрамбовували.Таку ж технологію виготовлення виливок застосовували при литті гармат.

В середині XIX сторіччі з’явився новий метал для лиття – сталь.

Виготовлення виливок складної форми привело до виготовлення стержневих форм, які застосовуються і в наш час. Особливо для виливок складної форми – станин верстатів, молотів тощо. Основні навички виготовлення форм, які удосконалювалися на протязі сторіч застосовуються і в даний час.

Основоположниками наукового підходу до ливарного виробництва є російські вчені – металурги П.П. Аносов, Д. К. Чернов, А. С. Лавров та інші.

6.2. Загальні поняття ливарного виробництва

Основними способами виготовлення металевих заготовок є обробка

маталів різанням, обробка тиском і лиття. Деталі складної конфігурації також можна отримувати зварюванням, пайкою і склеюванням, які отримані попередньо литтям і обробкою тиском. А також отримання заготовок і деталей машин та механізмів за допомогою методів порошкової металургії.

Лиття – універсальний і один із самих поширених процесів отримання заготовок, або деталей, які максимально наближені по конфігурації і

Рис.6.1. Форма для виготовлення дзвонів: 1 - глина; 2 - низ форми; 3 - кожух; 4 - цегляна кладка; 5 - тіло дзвонів;

6 - армуючі полоси

98

розміром до готової деталі. Ливарним виробництвом називають процес отримання деталей або заготовок шляхом заливки розплавленого металу в форму, порожнини яких відповідають конфігурації і розмірам останньої.

Після затвердіння металу форми руйнуються або розкриваються і виймаються вилиті деталі, які називаються виливками. Кінцеві розміри деталей, як правило, отримують після механічної обробки.

Литтям отримують різні конфігурації виливок масою від декількох грамів до 300 т, довжиною від декількох см до 20 м, товщиною стінки 0,5...500мм. При литті практично відсутні обмеження по складності конфігурації виливок. В багатьох випадках лиття є єдиним способом виготовлення необхідних деталей. Особливо це відноситься до деталей великих розмірів, маси і складної конфігурації, а також до малопластичних сплавів (чавун), які не піддаються обробці тиском (кування, штампування).

Доля деталей, які виготовляються литтям складає в середньому 40...50% Більша частина виливок виготовляється литтям в пісчано – глинисті

разові форми. Але в деяких випадках ці виливки не задовольняють вимогам, які до них ставляться (низька чистота поверхні, неможливість отримання тонкої стінки тощо). Тому застосовують спеціальні види лиття: лиття в оболонкові (коркові) форми, лиття за виплавленими моделями, лиття в кокіль, лиття під тиском, відцентрове лиття тощо. Кожен із перерахованих видів лиття має свої недоліки і переваги.

6.3. Ефективність використання металу при литті по зрівнянню з

іншими видами обробки металів

Ефективність використання металу при литті порівняно з іншими видами обробки металів визначаються двома коефіцієнтами: коефіцієнтом виходу готових виливок (Кв.в); коефіцієнтам використання металу (Кв.м).

Витрати металу оцінюються по коефіцієнту виходу готових виливок, які вимірюються в відсотках.

%100.. ⋅=МшчМввКв ,

де Мв.ч – маса виливок чистова; Мш – маса металевої шихти (маса виливки, маса елементів ливникової системи, маса витрат металу – угар).

Збільшення цього коефіцієнта зменшує витрати металу, формувальних і модельних матеріалів, електроенергії, підвищує продуктивність праці і знижує собівартість виготовлення виливок.

Ефективність вибраного методу лиття характеризується коефіцієнтом використання металу.

чМвМдмКв

.. = ,

де Мд – маса обробленої деталі

99

Коефіціент використання металу при литті в разові пісчано – глинисті форми становить 0,75...0,95, при спеціальних видах лиття 0,9...0,95.

Спеціальні види лиття мають наступні значення коефіцієнтів виходу готових виливок і коефіцієнтів використання металу: при литті в оболонкові форми Кв.в≈80%, Кв.м=0,9 ; при литті за виплавленими моделями Кв.в≈80%, Кв.м≈0,8; при литті в кокіль Кв.в=75...80%; при литті під тиском Кв.в=90%, Кв.м≈0,99; при відцентровому литті Кв.в=100%, Кв.м=0,8.

6.4. Усадка ливарних сплавів та припуск на механічну обробку

Розрізняють лінійну та об’ємну усадку. Під лінійною усадкою розуміють зменшення розмірів виливки порівняно з розмірами форми, яке проходить в процесі затвердіння і охолодження металу. Цю усадку визначають у відсотках за формулою:

вил

вилфлін l

llЕ

100)( ⋅−= ,

де lф і lвил – розміри порожнини форми і виливки при температурі t=200С Розміри моделі повинні бути більші розмірів виливки на величину

лінійної усадки. На лінійну усадку впливає склад сплаву і температура його заливання. Сірий чавун зменшує усадку із збільшенням вмісту вуглецю і кремнію. Усадку алюмінієвих сплавів зменшує підвищений вміст кремнію. Усадку виливок зменшує зниження температури заливання металу. Збільшення швидкості відводу тепла від залитого в форму сплаву приводить до збільшення усадки виливки. Середнє значення ливарної усадки для сірого чавуну становить 1..1,3%, для сталі – 2...2,5%, для бронзи – 1,4...2,5%, для алюмінієвих сплавів – 0,9...1,2%, для високолегованих сталей – 2,5%, для латуні – 1,3...1,8%, для цинкових сплавів – 0,9...1,2%, для магнієвих сплавів – 1,0...1,6%, для титану та його сплавів – 1,5...2,3%.

Об’ємна усадка. Під об’ємною усадкою розуміють зменшення об’єму сплаву при його охолодженні в ливарній формі при формуванні виливки. Об’ємну усадку визначають у відсотках із співвідношення:

( )вил

вилфоб V

VVЕ

100⋅−= ,

де Vф і Vвил – об’єм порожнини форми та об’єм виливки при температурі t=200С

Співвідношення між лінійною та об’ємною усадкою наступне: Еоб≈3Елін

Усадка у виливках проявляється у вигляді дефектів виливок (раковин, пористостей, тріщин та короблення ).

100

Припуск на механічну обробку.

Під припуском на механічну обробку розуміють шар металу, який необхідно зняти щоб перейти від виливки до деталі, розміри якої вказані на кресленні. Величина припусків на механічну обробку після лиття залежить від розмірів і точності виготовлення виливки, чистоти механічної обробки, розміщення частини виливки, яка обробляється у формі, а також від складу сплаву із якого відливається заготовка. Для виливок із сірого чавуна припуски на обробку знаходяться у межах від 2 до 24 мм, для сталевих виливок від 3 до 33 мм на сторону.

. 6.5. Дефекти виливок

Основною причиною дефектів виливок є ливарна усадка металу. До

основних дефектів відносяться усадкові раковини, усадкова пористість, тріщини (холодні і гарячі), короблення, газові раковини і газова пористість.

Усадкові раковини

Під усадковими раковинами розуміють відкриті або закриті порожнини в більш масивних місцях тіла виливки, які затвердівають в останню чергу. Порожнини мають велику шорсткість поверхні з грубокристалічною будовою. Процес затвердіння проходить слідуючим чином. Спочатку біля стінок ливарної форми утворюється кірка твердого металу. Внаслідок того, що усадка розплаву металу при переході із рідкого стану в твердий перевищує усадку кірки, рівень металу в рідкій частині виливки понижується, а на кірці наростає новий твердий шар і рівень рідини знов понижується. Так проходить до тих пір, поки не закінчиться процес затвердіння.

Зниження рівня розплаву металу при затвердінні приводить до утворення усадочної раковини. Найбільш інтенсивно усадкові раковини утворюються при виготовленні виливок із чистих металів, сплавів алюмінію, сплавів із вузьким інтервалом кристалізації (низьковуглицеві сталі, безолов’яснісні бронзи), при заливанні форми сильно нагрітим металом і невідповідності хімічного складу металу.

На величину, форму і розміщення усадкових раковин впливає ступінь усадки даного металу, розміри виливок, способи лиття, температура металу і швидкість його охолодження в формі.

Усадкова пористість.

Під усадковою пористістю розуміють накопичення порожнин у виливці у великій зоні в результаті усадки у масивних місцях виливки, які затвердівають останніми без доступу до них розплавленного металу. Близько температури солідуса кристали зростаються один з другим. Це приводить до

101

роз’єднання вічок, які заключають у собі залишки рідкої фази. Затвердіння невеликого об’єму металу в таких вічках проходить без доступу розплаву металу від сусідніх вічок. В кожному вічку в результаті усадки утворюється невелика усадкова раковина. Множина таких мікроусадкових раковин утворюють пористість. Ця пористість розміщується по границях зерен металу.

Появу усадкових раковин і пористості можна запобігти, якщо застосовувати спеціальні „додатки” (надставки над масивними стінками виливки) і постійно доливати рідкий метал. Завдяки цьому усадкову раковину і пористість можна перевести в зону додатку і видалити при обрубці. Також запобігти утворенню усадкових раковин і пористості дозволяє установка у ливарну форму холодильників.

Холодильники виготовляють із того ж сплаву, що і виливку і встановлюють з внутрішнього боку масивних частин виливки або всередині порожнини форми. Завдяки цьому їх можна розділити на зовнішні та внутрішні. Внаслідок високої теплопровідності і великої теплоємкості холодильників відвід тепла від масивної частини виливки проходить більш інтенсивно, чим від тонкої. Це сприяє вирівнюванню швидкостей затвердіння масивної і тонкої частини і усунення усадкових раковин і пористості.

Внутрішні холодильники частково розплавляються і зварюються з основним металом при заповненні форми сплавом.

Усадкові раковини і пористість виливок можна виявити простим оглядом обробленої поверхні і при гідравлічному іспиту виливок (під водяним тиском).

Тріщини Поширеним дефектом виливок є тріщини. Причиною виникнення тріщин

є внутрішні напруги, які виникають за рахунок нерівномірного затвердіння товстих і тонких частин виливки і усадки сплаву. Ці напруги тим вищі, чим менша піддатливість форми і стержнів. Якщо величина внутрішніх напруг більша межі міцності ливарного сплаву в даній частині виливки, то в її тілі утворюються тріщини.

Тріщини поділяються на холодні і гарячі. Холодні тріщини – це наскрізні і ненаскрізні розриви в стінках виливок,

невеликої ширини і значної довжини. Вони утворюються при низьких температурах і мають неокисленну поверхню. Виникають вони в області пружних деформацій, коли сплав повністю затвердів. Утворення внутрішніх напруг викликано тим, що тонкі частини виливки охолоджуються і скорочуються швидше чим товсті. Холодні тріщини частіше всього утворюються в тонкостінних виливках складної конфігурації. Тріщини будуть більшими чим вищі пружні властивості сплаву, чим значніше його усадка при понижених температурах і чим нижче його теплопровідність. Ймовірність утворення холодних тріщин в виливках збільшується при наявності в сплаві шкідливих домішок (фосфору, сірки).

102

Також холодні тріщини з світлою поверхнею злому можуть з’являтися внаслідок механічних пошкоджень охолоджених виливок при одрубуванні, зачищенні і падінні на землю.

Для запобігання утворення у виливках холодних тріщин необхідно забезпечити рівномірне охолодження виливок по всіх перерізах шляхом використання холодильників, застосовувати сплави для виливок з високою пластичністю і проводити відпал виливок з метою знімання внутрішніх напруг.

Гарячі тріщини – це розриви в стінках виливок, які мають значну ширину і невелику довжину. Вони утворюються при високій температурі (близькій до температури солідуса) в процесі кристалізації і усадки металу при переході із рідкого стану в твердий. Гарячі тріщини проходять по межах кристалів і мають окислену поверхню. Нахил до утворення гарячих тріщин збільшується при наявності неметалевих включень, газів (водень, кисень), сірки та інших домішок. Тріщини можуть виникати в випадку недостатньої піддатливості стержнів і окремих частин форми, ранньої вибивки виливки із форми, неправильної конструкції виливки і підвищеної усадки металу. Висока температура заливки металу сприяє збільшенню зерна металевої структури і збільшенню перепаду температур в окремих частинах виливки, що збільшує ймовірність утворення тріщин.

Для запобігання виникненню гарячих тріщин в виливках необхідно створити умови, які сприяють формуванню мілкозернистої структури, забезпечити одночасне охолодження тонких і товстих частин виливок (застосування холодильників), збільшити піддатливість ливарних форм і по можливості знизити температуру заливки сплаву.

Короблення

Короблення – це зміна розмірів і конфігурації виливки під впливом внутрішніх напруг, які виникають при нерівномірному охолодженні окремих її частин. Короблення збільшується при складній конфігурації виливки, підвищення швидкості охолодження окремих частин виливки і різку усадку.

Для запобігання короблення необхідно добитися меншої різностінності виливки, для охолодження масивних її частин застосовувати холодильники, збільшувати піддатливість форми і створити раціональну конструкцію виливки.

Газові раковини і пористість Газові раковини і пористість – це порожнини в тілі виливки, утворені

повітрям або газами, які виділяються із розплавленого металу при його затвердінні або із матеріалів форми. Газові раковини можуть бути відкриті або закриті (внутрішні). Вони мають різну величину, форму і місцезнаходження в виливці. В рідкому стані метали і сплави активно поглинають значну кількість водню, кисню, азоту та інших газів із оксидів і вологи вихідних шихтових матеріалів при їх плавленні. В рідких металах і

103

сплавах розчинність газів збільшується із підвищенням температури. Газові пухирі утворюються внаслідок того, що розчинені в розплавленому металі гази (водень, азот, кисень, окис вуглецю тощо) при охолодженні сплаву виділяються і намагаються піднятися до верху, але в сплаві , який охолоджується вони всплити не можуть і залишаються в виливці у вигляді раковини. Газові раковини, пористість знижують механічні властивості і герметичність виливок. При заливці розплавленого металу розплав може захоплювати повітря у ливникову систему, засмоктувати його через стінки каналів ливникової системи. Крім того, гази можуть проникати в метал із форми при випаровуванні вологи, яка знаходиться у формувальній суміші. Як правило газові раковини мають чисту і гладку поверхню.

Таким чином, причиною утворення газових раковин є підвищена газоутворююча здатність формувальної суміші недостатня її газопроникливість, погана вентиляція стержнів та форм, заливка форми недостатньо розкисленим металом, підвищена вологість формувальних та стержневих сумішей.

Для зменшення газових раковин і пористості у виливках плавлення металу слід вести під шаром флюсу, у середовищі захисних газів з використанням добре просушених шихтових матеріалів. Перед заливанням розплавленого металу у форму його необхідно дегазувати продуванням інертним газом.

Добавлення в рідкий сплав спеціальних розкислювачів, наприклад, феросиліція, фероалюмінія, сілікокальція сприяє видаленню газів.

Також зменшити число газових раковин і пористості можна за рахунок збільшення числа випорів, правильного підбору температури при заливанні сплаву у форму, і правильного розміщення ливникових каналів.

Пісчані раковини, заливи, недоливи, перекоси і різностінність. До неосновних дефектів виливок можна віднести пісчані раковини,

заливи, недоливи, перекоси і різностінність. Пісчані раковини – це різні по формі порожнини в тілі виливки, частково

або повністю заповненні формувальною сумішшю. Причинами утворення пісчаних раковин є руйнування окремих частин форми, змивання формувальної суміші розплавом металу при неправильному його підводі. Пісчані раковини можуть утворюватися від вогнеупорів печей і ківшів в результаті недостатньої їх міцності, а також в результаті недостатньої очистки рідкого сплаву від частинок шлаку при заливанні форми.

Заливи – це тонкі різні по величині і формі виступи на виливці, які не передбачені кресленням і утворюються вони по площині роз’ємну форми при наявності збільшеного зазору між півформами.

Недоливи – це неповні заповнення форми розплавом, що спостерігається при недостатній його рідкотекучості, при скупченні газів, які протидіють заповненню форми при недостатніх розмірах живильників ливникової системи.

104

При складному контурі в виливках інколи спостерігаються перекоси і різностінність. Причинами цих недоліків можуть бути неправильне збирання опок зміщення стержнів і викривлення форми.

Перекос – це невідповідність конфігурації виливки кресленню із – за зміщення однієї частини виливки відносно іншої. Це відбувається внаслідок неправильного центрування опок при великому зносі стержнів.

Різностінність виникає в результаті неправильної установки або зміщення стержнів при заливанні форми в випадку неміцного їх кріплення у формі. При великій швидкості охолодження зовнішнього шару у чавунних виливках спостерігається відбіл (поява відбіленої кірки). Це пояснюється тим, що у чавуні цементит не розпався як це проходить в виливках в умовах повільного охолодження. При механічній обробці чавунних виливок з відбіленою кіркою виникають трудноші, так як ця кірка має досить високу твердість. Зняти відбіл можна відпалом чавунних виливок.

Якщо необхідно отримати тверду кірку на поверхні, то заливку чавуна виконують в металеву форму – кокіль. Стінки кокіля швидко забирають тепло від поверхні виливки, що запобігає графітизації чавуна. Відбілювання поверхневого шару можна уникнути якщо заливати чавун у підігріті кокилі.

Деякі виявленні дефекти можна виправити. Для цього широко практикується заварка дефектів лиття (раковин, тріщин та ін) газовою або електродуговою зваркою. Присадочний пруток чи електрод повинен мати той же хімічний склад, що і основний метал. Для того щоб не було тріщин в процесі заварювання чи після її виливку необхідно нагріти до температури 200...250 0С.

Мілкі тріщини і неглибокі раковини виправляються металізацією (нанесенням шару металу за допомогою спеціальних апаратів).

Також застосовують просочування виливок різними розчинами. Так пористі виливки, які працюють під невеликим тиском просочують водяним розчином хлористого амонію. Він проникає між кристалами металу, утворює оксиди і при цьому закупорює пори виливки.

Пористість чавунних, бронзових і алюмінієвих литих деталей, які працюють під значним тиском, усувається шляхом запресування у пори бакелітового лаку. Просочену виливку сушать при кімнатній температурі біля 50 годин, або в печі при температурі 130 0С.

6.6. Плавильні агрегати

Плавлення ливарних металів та сплавів виконують в вагранках, тигельних

і електричних печах, в конверторах, в полуменевих тигельних горнах. Для плавлення кольорових сплавів застосовуються дугові і індукційні печі та печі опору.

В вагранках в основному плавлять чавун. Вони прості за конструкцією, високопродуктивні і економічні.

105

Загальний вигляд вагранки наведений на рис. 6.2. Вагранка - це піч круглого перерізу шахтного типу, яка викладена шамотною цеглою 10 і заключена в металевий кожух 8. Шахта опирається на піддонну плиту 19, яка підпирається стальними колонами 20. Стальні колони встановленні на фундаментній плиті 24. Нижній отвір шахти закрито відкидним дном 21, яке опирається на домкрат 25. На піддону плиту набивається подіна 17 із тощої формувальної суміші. На подіну завантажується кокс 15, верхній рівень якого повинен бути на 500...700 мм вище рівня розміщення фурм 14, через які вентилятором 16 подається повітря (окислювальне дуття). Від вентилятора воно проходить через стальну коробку 12, яка оперізує вагранку по периметру.

В якості палива застосовується кокс, природний газ або суміші. Для підвищення продуктивності і економічності коксу в вагранку подають повітря, яке насичене (до 20%) киснем і підігрітим до температури 500...600 0С. Частина вагранки від верхнього ряду фурм до завантажувального вікна 4 називається шахтою.Вище шахти знаходяться димова труба 2 з

Рис.6.2. Вагранка

106

іскрогастником 1. Нижню частину від подіни до фурм називають горном. Подін (лещадь) нахилена в бік копильника 13.

В верхній частині шахти є завальне вікно 4, через яке порціями (колошами) завантажується паливо 11, металева шихта 9 і флюси до рівня завального вікна. Верхня частина холостої колоші, де проходить горіння коксу і створюється висока температура , є зоною плавлення чавуну і називається плавильним поясом вагранки.Шихту завантажують бадьєю 5 з конусним, який опускається або відкидним дном. Бадья переміщується по опорній рейці 3. Для запобігання руйнування верхньої частини шахти під час завантаження шихти вона укріплена відкритим металевим кожухом 6. На його рівні розміщена колошнікова площадка 7.

Шихта, яка завантажується в вагранку складається із чушкового чавуна (ливарного або передільного ПЛ1 і ПЛ2), повернення власного виробництва, стального брухту, феросплавів, ливарного коксу і флюсів (вапняк, плавиковий шлат, боксити). При плавленні в вагранці вигоряє кремнію (10...15%), марганцю (17...22%), заліза (0.4...1.5%).

Масовий вміст фосфору залишається без змін, вуглець в деякій мірі вигоряє, але його втрата урівноважується навуглецьовуванням від палива. Оксиди які утворилися разом із золою, домішками попавшої формувальної суміші, зношеної футерівки вагранки шлакуються флюсами.

Розплавлений чавун стікає між розпеченими кусками коксу холостої колоші на подіну вагранки, яка має нахил до вихідного отвору, і через неї по мірі накопичення витікає по жолобу в ківш. Шлак який плаває на поверхні рідкого чавуну випускається із вагранки через спеціальний отвір – шлакову льотку. Продукти горіння піднімаються вверх по шахті, підігріваючи при цьому шари шихти, яка лежить вище і відходить в трубу.

Для накопичення великої кількості рідкого чавуна вагранка має накопичувач 13. В цих вагранках рідкий чавун безперервно перетікає з подіни через перехідну льотку 22 в копильник. Копильник – це циліндричний сосуд, який викладений шамотною цеглою і має льотку 23 з жолобом для випуску чавуна в ківш 26 і спеціальну льотку 18 для випускання шлаку. Наявність накопичувача дає можливість накопичувати чавун для заливання великих форм і отримувати метал більш рівномірного хімічного складу.

Розміри вагранки залежать від необхідної продуктивності. Висота вагранки досягає 9...10 м, діаметр до 3 м. Продуктивність вагранки вимірюється кількістю чавуна, який переплавляється за один час. В залежності від діаметра вагранка за час може дати від 1 до 25 т і більше металу.

Вагранки більш доскональної конструкції – з шахтою конусного профілю, водоохолоджуючою плавильною зоною без футерівки, розділення чавуна і шлаку за допомогою спеціальних сифонів, заміна холодного дуття гарячим з насиченням повітря киснем дає можливість інтенсифікувати процес плавлення чавуна, підвищити продуктивність вагранок до 80...100 т за

107

годину. Це також приводить до зниження витрат дорогого і дефіцитного коксу.

При добавленні у шихту карбідів кремнію у вигляді спеціальних брикетів значно підвищується чистота чавуна по неметалевим включенням, оксидам, розчиненим газам.

Після поточного ремонту вагранки, копильника і набивання подіни розпалюють вагранку дровами, які завантажують на подіну. Потім завантажується холоста колоша коксу. Після заповнення вагранки шихтою до рівня завалочного вікна подається дуття для ведення плавки в плавильному поясі. В кінці плавлення зупиняють завалку колош, дають проплавитись тим колошам, які були завантажені раніше. Потім проводять вибивання вагранки, для чого відкривають його днище. Після вибивки і охолодження вагранки проводять її ремонт, після чого днище закривають, набивають нову подіну, проводять розпалювання і приступають до нового плавлення. Тривалість плавлення в вагранці 6...15 годин.

Тигельні печі.

У тигельних печах плавлять сталь, чавун, кольорові метали і сплави. В залежності від виду металу, який плавиться і конструкції печі застосовується паливо (кокс, нафта і газ)

Тигельна піч – це неглибока шахта 3 (рис. 6.3) круглого перерізу. В середині знаходиться тигель 1, який встановлюється через шахту. Отвір шахти закривається кришкою 4. Продукти горіння відводяться через димохід 2.

Рис.6.3. Тигельна піч: 1-тигель; 2-димохід; 3-шахта; 4-кришка.

Для плавлення легкоплавких металів застосовують чавунні тиглі, для

плавлення інших металів застосовують графітові або шамотні. До переваг роботи таких печей слід віднести незначні зміни хімічного складу

розметпечпла

вугспепечтемдомзру

еле

вог

є ввипдугсклжевік

зплавленого талу від атмочей є їх низькавлять мідні

У ливарниглецевих і лееціальних мачами: можлимператури і лмішок; мінімучність обслуЦі печі подіектричної дуг

В цій печі гнетривкою шДуга запалю

вікно для завпускання розги. Для присладу металу механізм накно закрито

металу під осферного пока продуктиві алюмінієві

их цехах еегованих сталарок сірого ивість отримулегко її регулмальний угар уговування. іляються на егової печі для

Рис1-електроди;

зварний кошамотною цеюється між дввантаження шзплаву. Розпкорення розппечі покачуюахиляє печі пзаслінкою. П

108

час плавленовітря, паливвність і мала сплави.

Електриелектричні плей, сплавів чавуна. Вонувати високоялювати; можлметалу; незн

електричні дуя виплавки б

с. 6.4. Електр; 2-поворотни

ожух із листеглою 3. вома графітншихти і під лавлення шиплавлення шють за допомпри зливанні Під час зава

8

ння, що поява і продуктівстійкість тиг

ичні печі. печі застосокольорових ми мають рядякісні металиливість очистначні зміни х

угові, індукцбронз наведен

рична дугова ий механізм; тової сталі в

ними електрояким знаходихти проходиихти і для замогою поворготового метантаження п

яснюється ізв горіння. Неглів. Найчаст

овують дляметалів, ковкд переваг пеи; досягати мтки металу віхімічного скл

ційні і печі опно на рис. 6.4

піч: 3-футеровка

в середині ф

одами 1. В стдиться зливнаить за рахунабезпечення оотного механталу. Під часпечі графітов

зольованістюедоліком цихтіше в тиглях

я плавленнякого чавуна іеред іншимимаксимальноїід шкідливихладу металу і

пору. Будова4.

а.

футерований

тінці корпусаа льотка дляок тепла відоднорідностінізму 2. Цейс роботи печіві електроди

ю х х

я і и ї х і

а

й

а я д і й і и

вийвід250елерозпер

зас

марякиото

Рідвтометшв

кожмет

завсплмет

ймаються. дновлювально0 до 500 ектроенергії зплаву. Для врегріву і вели

Для випластосовуються

1-стальн Ці печі застрки тому, щоий по електрочує первиннОсереддя з

дкий метал оринний „виттал до висовидкий нагрівРозплавленижний раз свіжталом.

Велике пошНагрівальні

вантажують члав стікає в мталу 6, піч за

Внаслідок ою, що зменшкг, вони при виплавлвиплавленняикого випаро

авлення броя індукційні п

Рис.6.5. Іне осердя; 2-

тосовують дляо піч працюєричній схеміну котушку 3 первинною заливається ток” і в ньомокої темперав і плавленняий метал вилжий, щоб шв

ширення отрим елементи через вікна металонакопиа допомогою

109

згорання ешує угар і окпрацюють ленні бронз латунів ці п

овування цинкІндукці

онз, латунепечі з залізни

Індукційна пікільце із рідк

я неперервноє тільки при і є „виток” вяка знаходитобмоткою зпопередньо

му індукуєтьатури. За ря шихти, яка зливають із пидко розплав

Електричнмали електриіз ніхрому в форкамериичувач 5. Піс

ю механізму н

9

електродів кислення розна однофазстановить 99печі не застоску. ійні печі ей, алюмініим осереддям

іч з стальнимкого металу;

ого масовогонаявності кілвторинної обться під футезахищене вого, і утворюєся струм велрахунок йогозавантажуєтьпечі частинамвити від конт

ні печі опоруичні печі опоррозмішені ви 4 де прохосля накопиченахилу 1, нах

атмосфера зплаву. Ємнісзному струм90 – 1540 Мсовуються із

ієвих сплавм (рис 6.5)

м осердям:

3-первинна к

плавлення мльця 2 із рідбмотки трансеровкою. гнетривкою є цей короткликої сили, яо циркуляціїься зверху. ми, знову затакту з перегр

ру (рис.6.6.).в склепінні подить плавлеення достатнхиляється в б

в печі єсть печей відмі. ВитратиМДж на тону

– за загрози

вів широко

котушка.

металу однієїкого металу,сформатора і

футеровкою.козамкнутийкий нагріваєї проходить

авантажуючирітим рідким

печі. Шихтуення. Рідкийньої кількостібік випускної

є д и у и

о

ї , і

. й є ь

и м

у й і ї

110

льотки 2. Піч з середини футерована вогнетривкою цеглою3. Перевагою цих печей є зниження угару, високий к.к.д., легше регулювання температури і зниження окислення і газонасичення.

В таких печах найбільшого поширення отримало плавлення алюмінієвих і

магнієвих сплавів. Полуменевий тигельний горн

Полуменевий тигельний горн (рис.6.7.) включає в себе стальний тигель 1, вогнетривкий корпус 5, механізм повертання 6, підведення палива по трубі 3, витяжний пристрій 4.

Рис. 6.7. Полуменевий тигельний горн

Рис 6.6. Електрична піч опору: 1-механізм нахилу; 2-випускна льотка; 3-футеровка; 4-форкамера;

5-металонакопичувач; 6-метал.

111

Паливо (мазут) підводиться по трубі і згоряє в просторі 2. Продукти горіння відводяться через витяжний ковпак труби 4.

Конвертор з бічним дуттям.

Конвертори застосовуються в цехах для отримання сталі процесом малого бесімерування. Чавун попередньо розплавляють у вагранці і крановим ківшем переливають в конвертор з бічним дуттям. В цьому конверторі повітря підводиться не через днище, а через бічну стінку. Емкість конвертора як правило рівна 1,5...2,5 т.

Ливарні властивості сплавів та їх застосування для виготовлення

виливок 7.1. Ливарні властивості сплавів. 7.2. Виготовлення виливок із чавунів. 7.3. Виробництво виливок із сталі. 7.4. Виробництво виливок із мідних сплавів. 7.5. Виробництво виливок із алюмінієвих сплавів. 7.6. Виробництво виливок із магнієвих, титанових і цинкових сплавів.

7.1. Ливарні властивості сплавів.

Можливість використовувати сплави для отримання виливок визначається їхніми ливарними властивостями. До добрих ливарних властивостей відноситься висока рідкотекучість, мала усадка при затвердінні і подальшому охолодженні, незначна ліквація і низька здатність поглинати гази при плавленні і заливанні.

Рідкотекучість – це здатність розплаву вільно текти в ливарній формі, заповнюючи порожнини і точно відтворювати її контури.Рідкотекучість залежить від хімічного складу, температури при заливанні, наявності домішок та інших факторів. При достатній рідкотекучості розплавлений метал легко розтікається і добре заповнює самі вузькі місця форми. Деякі метали, такі як мідь в розплавленому стані густі і погано заповнюють форму, тому для фасонного лиття вони мало придатні. Більш високу рідкотекучість мають сплави, які твердіють з утворенням евтектики. Такі сплави як бронза,латунь,сірий чавун,алюмінієві висококремнисті сплави (силуміни) і цинкові сплави мають високу рідкотекучість.

Для визначення рідкотекучості користуються спіральною пробою постійного трапецевидного поперечного перерізу площею 0,56 см2 (рис.7.1.). Метал заливається в ливникову чашу 1, через фільтр 2 і стояк 3 він проходить в металоприймальник 4 і тече по спіральному каналу 5. Відстань між виступами в спіралі дорівнює 50 мм. По довжині, яка отримується в одинакових умовах відкритої спіралі, роблять висновок про рідкотекучість. Чим біьша довжина спіралі, тим більша рідкотекучість сплаву. З

підпідДлзалрідсплрозУсракпояоб’

вилкон

Р1

(вн

білзоннемчас

двищенням двищується, ля порівняннливання придкотекучість лаву. Усадказмірах і об’єсадка є причковини, пориявою внутріш’ємної усадкиЛіквація – цливки після знфігурація ви

Рис 7.1. Спіра1-ливникова ч

Розрізняють

нутрішньокриЗональна сп

льше насичуєнах буде ріметалеві вклюстинах вилив

температуриа із збільшення рідкотекуи температурбуде залеж

а – це властиємі при охочиною утвористість, коробшніх напруг и розглянутоце утворення затвердіння. Ниливки, швид

альна проба дчаша; 2-фільт

ка

ь три види исталічну ). постерігаєтьсяється різнимізним. В стючення, які рвки, в тих міс

112

и рідкотекучнням окисленучотсі різнихрі на 1000Сжати тільки вивість металіволоджені від рення у вилблення і тріщпри затверд

в пункті 6.4.хімічної неоНа процес лікдкість охолод

для визначентр; 3-стояк; 4анал; 6-відміт

ліквації: з

я в об’ємі зли домішкамиталі і чавунрозміщуютьссцях,які затве

2

чість одногності і газонх сплавів нС вище темвід природнв і сплавів змтемператури

ливках такищини. Короблдінні виливки. однорідності квації впливадження та інш

ння рідкотеку4-металоприйтки відстані.

зональну, по

ливка. По міри,тому його ні ліквірує сся головним чердівають ост

о і того насиченості знеобхідно прмператури ліних властивоменшуватисяи заливки дх дефектів лення і тріщии. Визначенн

сплаву в різнає хімічний сші технологіч

учості металівймальник; 5-с

о густині і

рі кристалізацхімічний склсірка, фосфочином у верхтанніми.

ж сплавузменшується.роводити їхіквідус, тодіостей самогоя в ливарнихдо кімнатної.як усадкові

ини зв’язані зня лінійної і

них частинахсклад сплаву,чні фактори.

в і сплавів: спіральний

і дендридну

ції метал вселад у різнихор, вуглець,хній і осьовій

у х і о х і з і

х ,

у

е х , й

113

Ліквація по густині (питомій вазі) спотерігається при сплавленні металів,які суттєво відрізняються по густині. Наприклад, в сплавах свинець-сурма верхня частина зливку буде насичена сурмою,а нижча – свинцем. Ці частини відрізняються від середнього складу сплаву. Зональна ліквація може бути зменшена перемішуванням сплаву перед його заливанням у форму і наступним його швидким охолодженням.

Дендридна ліквація – це внутрішньокристалічна ліквація, коли склад кристалів неоднорідний. Чим більший температурний інтервал між початком і кінцем кристалізації, тим більше будуть відрізнятися по складу окремі ділянки зерен. В дендридах осі першого порядку насичені більш тугоплавкими компонентами, і в них вміст домішок буває найбільш низьким. Міждендридні проміжки, які кристалізуються в кінці, мають найбільшу кількість легкоплавких компонентів і домішок.

Здатність до поглинання газів. Метали і сплави мають здатність поглинати різні гази – водень, азот, кисень та інші. В розплавленому металі завжди є газ. Підвищення температури рідкого металу призводить до збільшення вмісту газів, при цьому ливарні і механічні властивості погіршуються. Наряду з температурою на розчинність газів впливає хімічний склад сплаву.

При затвердінні і послідовному охолодженні розчинність газів зменшується,і в результаті їх видалення у виливках можуть утворитися газові раковини і пори.

Для зменшення газонасиченості сплавів застосовують плавлення у вакуумі або в середовищі інертних газів, дегазацію вакумуванням в спеціальних камерах.

7.2. Виготовлення виливок із чавунів.

Найбільше фасонних виливок виготовляють із чавуна тому, що він

порівняно дешевий,має високі ливарні антифрикіційні і антикорозійні властивості, високу міцність.

Виливки із чавунів становлять більше 70 % всіх виливок.Найбільше виливок отримують із сірого чавуна, незначну кількість із легованого і ковкого, і зовсім мізерну частину із високоміцного.

Механічні властивості чавунів у виливках залежать не тільки від вмісту в них різних елементів,але і від ряду інших факторів – швидкості охолодження, товщини стінки виливки тощо.

Сірий чавун. Виливки із сірого чавуна дешевші від виливок із кольорових сплавів. Сірий чавун має хороші ливарні властивості, відносну невисоку температуру плавлення (1100...12000С), хорошу рідкотекучість, малу усадку (біля 1%), низьку ліквацію.

114

Єдиним недоліком сірого чавуна є його крихкість, але велика множина деталей машин і механізмів працюють без великих ударних навантажень, тому і виготовляються вони із сірого чавуна.

Сірий чавун включає 2,2...3,7% С, 0,2...1,0% Мn, до 0,3% Р, до 0,15%S. При модифікації сірий чавун з пластинчастим графітом переходить в

структуру з мілкими включеннями графіту завихреної форми і застосовується для отримання чавунів марок СЧ25...СЧ45 з перлітною основою. Модифікація виконується невеликими добавками 75% феросиліція, сілікокальція та інших модифікаторів в кількості 0,3...0,6% від маси чавуна. Перегрів чавуна перед модифікацією повинен бути тим вище, чим вища марка чавуна.

Модифіковані сірі чавуни застосовуються для відливки дизельних циліндрів, блоків автомобільних циліндрів тощо.

Легований чавун. В якості легуючих елементів застосовують Ni, Cr, Mo, Mn, Al, Cu, Ti. Ці елементи підвищують механічні властивості, корозійну стійкість, зносостійкість, жароміцність тощо. За найбільшим включенням легуючого елемента леговані чавуни поділяються на хромисті,нікелеві тощо. Також ці чавуни можна розділити на низьколеговані – до 3% легуючих елементів і високолеговані з особливими фізичними властивостями. Наприклад, кислотостійкі – 26...36% Cr, немагнітні – до 12% Mn, до 2% Cu.

Ковкий чавун. Цей чавун з пластівчастим графітом отримують тривалим відпалом виливок із білого чавуна. Білий чавун включає 2,2...3,2% С, 0,7...1,4% Si, до 1% Mn, до 0,2% Р, до 0,2% S. Білий чавун має низькі ливарні властивості: низьку рідкотекучість і значно більшу усадку чим у сірого чавуна (до 2%). Виливки із білого чавуна можуть бути отримані порівняно невеликої товщини. Але білий чавун має високу твердість, крихкість і застосовується для виготовлення виливок з високою зносостійкістю. Ковкий чавун включає 2,3...2,7% С, 0,8...1,2% Si, 0,3...0,5% Mn, 0,05...,0,07% Cr, 0,1...0,2% Р і 0,1% S. Щоб запобігти утворенню вільного графіту в процесі лиття, вміст кремнію не повинен перевищувати 1,2%. Підвищена рідкотекучість чавуна досягається при наявності фосфора до 0,2%. Марганець протидіє розпаданню карбідів заліза (Fe3C) при відпалі, тому його вміст не повинен перевищувати 0,5%. Механічні властивості ковкого чавуна залежать головним чином від його металевої основи. Перлітні чавуни КЧ45-7 та інші мають більш високу міцність при пониженій пластичності. Феритні і ковкі чавуни, наприклад КЧ37-12, мають меншу міцність, але більшу пластичність.

З ковкого чавуна отримують виливки з товщиною стінки до 30...40 мм і масою до декількох кілограмів. Виливки із ковкого чавуна застосовують для виготовлення деталей автомобілів, тракторів та інших машин, які приймають на себе в процесі роботи складні напруги і ударні навантаження.

Високоміцний чавун з кулястою формою графіту отримують у витяжній камері занурюванням в рідкий (перегрітий до 16000С) стаканчика з отворами

115

на його бічній твірній. Стаканчик заповнюють модифікатором (стружка магнію з феросиліцієм). Ківш з рідким чавуном закритий масивною кришкою з отвором у який вводять стаканчик за допомогою довгої штанги. Відбувається дуже бурхлива реакція окислення магнію, окисли якого витяжкою видаляють в атмосферу. Після модифікування чавун розливають у ливарні форми. Після кристалізації у структурі чавуна графіт буде кулястої форми. Замість магнію іноді використовують церій без бурхливої реакції.

Властивості чавуна визначаються його металевою основою: перлітом, перлітом і феритом, феритом. Тому вони можуть бути значно покращені термічною обробкою. В деяких марках високоміцного чавуна σв=800...1200 МПа.

Із високоміцного чавуна отримують відповідальні деталі машин і механізмів: зубчаті колеса, колінчаті і кулачкові вали, штампи, деталі турбін тощо.

Плавлять чавун у вагранках. Для виробництва модифікованого, високоміцного та інших якісних

чавунів використовуються електричні, індукційні і дугові печі. Для отримання чавуну високої якості широко використовується

подвійний процес (дуплекс – процес), при якому чавун плавлять у вагранці, а доводять, рафінують і перегрівають в індукційній печі. Застосовують також комбіновану плавку: дугова піч – індукційна тигельна піч. Індукційна тигельна піч забезпечує отримання точного хімічного складу чавуну, його рафінування і високий перегрів.

Заливання чавуна у форми. Сірий чавун має температуру плавлення 1200...14000С, а при перегріві температура досягає 15000С. Тому суміші і добавки, які використовуються при виготовленні форм повинні мати підвищену термохімічну стійкість. Цей чавун має низьку усадку і добру рідкотекучість, тому при виготовленні простих виливок використовують тільки один живильник. При великих і складних виливках застосовуються ливникові системи з декількома живильниками.

Білий чавун має низьку рідкотекучість, тому перед заливкою його перегрівають до 1450...15000С. При такій високій температурі формувальна суміш повинна мати високу непригарність. Білий чавун має велику усадку, тому суміш повинна бути піддатливою і при виготовленні форм встановлюються великі додатки.

Високоміцний чавун при перегріві має температуру до 15000С, тому формувальні і стержневі суміші повинні мати підвищену термохімічну стійкість. Низька усадка і велика рідкотекучість дозволяють використовувати мінімальну кількість живильників при виготовленні виливок складної конструкції.

Невеликі форми заливаються розплавленим металом із ручних ківшів ємкістю 15...50 кг. Для заливання більших форм застосовуються поворотні ківші, які викладені шамотною цеглою. Для зменшення тепловтрат

засзручавДлпервогПетем

вібгід

Чиокадроякі

вер

легтріжив д

стосовують бучно модифіквун охолоджля запобіганнрегородки. Кгнетривкою шеред заливаннмператури 60Виливки із

браторів. Стедрокамерах ст

Додатки, ли

истять виливатуванням обометними ій струмінь вДля зачистрстати з круп

Ливарні влагованих, станіщин. Для заивлять рідкимдва рази менш

барабанні абкувати чавун

жується більшня попаданняКожух ківшівшамотною маням ківша м00...8000С дляз форм вибержні, вибивтруменем вод

ивники і випвки від залв барабанаапаратами. оди під тискотки задирокпнозернистим

7.3. В

астивості сталновить 2...3%апобігання ум металом машу як чавун.

Ри

116

бо ківші з кн і менша ймш повільно, чя шлаку в к роблять із ласою, а ківшметалом йогоя запобіганнябивають за вають вручнди під тиском

пори видаляюлишків форах, або піЗастосовуютом до 70 ат нк використоми абразивни

Виробництво

лей нижчі чи%, що приводутворення раасивні частинТемпература

ис.7.2. Ківш з

6

кришкою (римовірність вичим в ківшахівшах передлистової сталі ємністю до футеровку ся оходження допомогоюу на пневмам 30...100 ат.

ють пилами,рмувальних іскоструйнимть піско – гнаправляють новують обдиими кругами.

о виливок із с

им у чавунів. ить до утвораковин засни виливки. Са плавлення с

з кришкою.

ис.7.2.). В типлеску. В т з відкритоюбачені шлаклі , в середин

5 т – шамотсушать і просплаву.

ю струшуючиатичних маш

, зубилами іі стержневими, дробостгідравлічну она виливку.ирально –

сталі.

Усадка сталрення усадковстосовуютьСталь має рідсталі 1400...1

аких ківшахтаких ківшахю поверхнею.озатримуючіні футируютьною цеглою.огрівають до

их решіток,шинах або в

і кувалдами.их сумішейтруйними іочистку, при

шліфувальні

ей, особливових раковин,додатки, якідкотекучість

15400С, а при

х х . і ь о

, в

. й і и

і

о , і ь и

117

виготовленні тонкостінних виливок сталь заливають у форми при температурі 1520...16000С.

Близько 60% стальних виливок виготовляють із вуглецевої сталі 15Л...55Л, близько 15% - із легованої і приблизно 20% - із високолегованої, наприклад, сталь 11ОГ13Л. Вуглецева сталь має слідуючий склад, %: 0,1...0,6 С; 0,5...0,8 Mn; 0,13...0,3 Si. Виливки, які отримані із такої сталі мають межу міцності при розтягуванні 40...60 кгс/мм2, межу текучості 20...30 кгс/мм2 і відносне видовження 10...28%.

Із сталі марок 15Л і 25Л виговляють виливки автомобільного машинобудування. Сталі марок 35Л і 45Л застосовуються для виготовлення станин, шестерень, черв’яків тощо. Ці сталі мають підвищену міцність і зносостійкість. Коли потрібна висока твердість застосовується сталь марки 55Л.

Леговані сталі, такі як 25ГСЛ, 30ХГСЛ, нержавіючі – 10Х13Л, 10Х18Н9ТЛ застосовують, коли необхідно отримати виливки спеціального призначення (корозієстійкі, зносостійкі, жаростійкі).

Рідкотекучість сталі можна підвищити за рахунок повноти розкислення. Підвищений вміст вуглецю також підвищує рідкотекучість. Сірка і підвищений вміст тугоплавких неметалевих включень приводить до пониження рідкотекучості.

Для запобігання утворення тріщин необхідно створити умови зменшення внутрішніх напруг. Для цього підвищується піддатливість формувальних сумішей. Для вирівнювання швидкостей охолодження товстих і тонких перерізів виливки застосовують холодильники, як внутрішні так і зовнішні. Також запобігти тріщинам можна раціональною конструкцією виливок – розмір гантелей, наявність плавних переходів від товстих до тонких перерізів, ребер жорсткості тощо. Ливникова система повинна забезпечити заповнення форми з урахуванням пониженої рідкотекучості сталі. Довжина каналів ливникової системи повинна бути по можливості меншою. Переріз живильників роблять в 1,5...3 рази більшими чим для чавунного лиття. Ливникову систему і розміщення виливки в формі роблять так, щоб порожнина, яка утворена моделлю, заповнювалася металом спокійно, а затвердіння виливки було направлено знизу вверх.

В деяких високолегованих сталях можлива хімічна взаємодія з матеріалами форми, тому доцільно їх виготовляти із сумішей на основі хромомагнезита та інших матеріалів, які мають більшу хімічну стійкість чим кварцевий пісок.

Для підвищення вогнетривких властивостей формувальних сумішей до них вводять хромистий кварц, залізняк та інші. Для підвищення міцності вводять рідке скло.

Нержавіючі сталі в розплавленому стані мають значну в’язкість, що створює можливість утворення газових раковин. Для запобігання окислення і покращення якості поверхні виливок застосовують формувальні фарби, які

ствпор

елеВелпечелепечбес

звивигшлзнаодн

зрувеліншповрід

різ

мехпримех

ворюють відрошками. Виплавку сектродуговихликі, масивнчах. Відповектричних дучах. Невідпосімерівських

При вигичайних ливготовленні слаку в виливкаходиться в ночасно із двПри заливауйнувати лиликих вилившого вогнетрвинна бути мдкотекучості.Після охоло

зкою стояків, Для зніманханічних влаи температурханічних в

дновлювальну

сталі в ливах і індукційні виливки отвідальні вилугових печаховідальні вилконверторах

готовленні ввникових ківсередніх і тяку, заливку вмежах 1...9

вох ківшів. анні форми ивникову чашках ливникоривкого матемінімальна, Особливо, цодження вилвипарів, живння внутрішастивостей врі 700...9000Свластивостей

Рис.7.3. М1-роз

118

у атмосферу

арних цехах йних печах, тримують піливки отрих, а найбільшливки отримух (рис.7.3).

виливок неввшів місткісяжких виливведуть із сто90 т. Заливк

із стопорншу, тому заові стояки і еріалу. При для запобігаце стосуєтьсяливок виконувильників і дшніх напругвиливок їх піС в залежностй застосову

Малий бесімезплав сталі; 2

8

у або припил

виконують малих бесімсля плавленнимують післш якісні сталіують після п

великої вагистю 500...800вок, а такожопорних ківшку особливо

ного ківша астосовуютьсживильникицьому трива

ання охолоджя тонкостінниується вибиводатків. г, змільченніддають термті від вмісту вують також

ерівських кон-шлак; 3-фур

люють проти

в мартенівсмерівських кня сталі в маля плавленні плавлять в плавлення ст

и, форми за0 кг через ж виключенняшів. Ємкість то великих ф

струмінь мся шамотні и роблять із алість заливження сталі іих виливок. вка і видален

ня зерна і мічній обробвуглецю. Дляж нормаліз

нвертор: рма.

ипригарними

ських печах,конверторах.артенівськихня сталі віндукційнихталі в малих

аливають ізносок. Прия попаданнятаких ківшівформ ведуть

металу можеворонки. Ушамота абоання металуі зменшення

ння газовою

підвищеннябці – відпалуя підвищеннязацію. При

и

, х в х х

з и я в ь

е У о у я

ю

я у я и

119

нормалізації змільчуються зерна завдяки швидкому охолодженню. Великі і масивні виливки піддають відпалу, а малі і тонкостінні нормалізації.

7.4. Виробництво виливок із мідних сплавів.

Із мідних сплавів найбільш широко застосовуються виливки із бронзи і

латуні. Вони мають хорошу зносостійкість, корозієстійкість в атмосфері, технічній і морській воді, і високі антифрикційні властивості.

Застосовуються бронзи олов’янисті і спеціальні. Олов’янисті бронзи включають 2...14% Sn, 4...5% Zn, 4...20% Pb, 1...5% Ni, до 1% Р, наприклад БрОЦС 5-5-5, БрОЦС 6-6-3, БрО10, БрОФ10-1 та інші.

В цих бронзах олово підвищує механічні і антифрикційні властивості, корозійну стійкість. Цинк покращує зварювання і пайку, зменшує інтервал кристалізації. Свинець покращує рідкотекучість, обробку різанням, антифрикційні і механічні властивості. Нікель підвищує механічні і антифрикційні властивості. Фосфор підвищує рідкотекучість і зносостійкість.

Із олов’янистих бронз отримують виливки арматури, зубчатих коліс, вкладишів підшипників ковзання, втулок тощо. Тому що олово є дорогим металом, то там де це можливо олов’янисті бронзи замінюють спеціальними, наприклад БрАЖ9-4, БрАЖС7-1,7-1,5, БрАЖМЦ 10-3-1,5 та інші. Назва цих бронз дається по основному легуючому компоненту: алюмінію, кремнію, марганцю тощо. Відповідно бронза буде алюмінієва, кремниста, марганцевиста тощо. Ці бронзи застосовуються для фасонного лиття деталей як шестерні, втулки, сідла клапанів, вкладишів підшипників тощо.

Їх механічні властивості вищі чим олов’янисті і вони мають достатньо високі антифрикційні і корозійні властивості. Найбільш широко використовуються алюмінієві бронзи. Вони добре працюють в солоній морській воді, агресивних середовищах, добре чинять опір удару. З них виготовляють гребні гвинти, важконавантажені шестерні і зубчасті колеса, корпуси насосів. Механічні, технологічні і експлуатаційні властивості алюмінієвих бронз покращуються при легуванні їх Fe, Mn, Ni.

Свинцевиста бронза має досить високу зносостійкість при терті в умовах великих питомих навантажень і швидкостей ковзання. Прикладом свинцевистої бронзи може бути БрС30.

Якщо в склад бронзи входить 5...14% Sn, то такі бронзи називаються високоолов’янистими. Вони мають хороші ливарні властивості. Але з причини високої вартості олова, застосовуються тільки для виливок відповідального призначення. Недоліком цих бронз є можливість утворення мілкої, розсіяної пористості.

Для виготовлення виливок крім бронз застосовують спеціальні латуні, які в залежності від легуючого елемента ( Al, Mn, Si, Fe, Pb ) поділяються на алюмінієві, кремнисті, свинцевисті, марганцевисті та інші. Наприклад, ЛК80-3, ЛС59-1 та інші.

120

Латуні нараховують більш як 15 сплавів, які застосовуються для виготовлення вкладишів підшипників, втулок, шестерень, санітарно – технічної апаратури та інших деталей для приладів і машинобудування.

Легуючі елементи, які входять в склад латуні покращують як механічні так і ливарні властивості сплавів. Ливарна усадка олов’янистих бронз біля 1%, тому виливки можуть бути отримані без додатків, що зменшує ливарні відходи. Шкідливі домішки Bi і Sb значно знижують механічні властивості виливок і збільшують їх пористість.

Латуні мають більш високі ливарні властивості, чим бронзи. Вони мають малу схильність до утворення газової пористості, тому, що добре дегазуються при виплавленні в результаті утворення парів цинка. Тому із латунів легше отримати щільні і герметичні виливки. Більшість латунів мають невелику лінійну усадку – 1,6...1,7%.

У кременистих латунях і алюмінієвих бронз усадка складає 1,5...2,5%, і вони легко окислюються, тому при заливанні повинно бути забезпечено плавне заповнення форми, а також добре живлення виливки об’ємними додатками.

Часто в одній опоці набивають декілька форм, які з’єднанні живильниками з загальним стояком. Вага ливникової системи і додатків інколи складає до 150% від ваги готової виливки.

Латуні мають більш низьку температуру плавлення і кращі ливарні властивості, чим бронзи. Це дозволяє отримувати із них виливки різними способами: в пісчані форми, кокіль, литтям під тиском тощо.

Маркування бронз і латунів слідуюче: бронза БрО3Ц7С5Н1 включає в себе біля 3% олова, 7% цинку, 5% свинцю, 1% нікелю, все останнє – мідь; латунь ЛЦ30А3 включає 30% цинку, 2...3% алюмінію, все останнє – мідь.

Мідні сплави для лиття розплавляють в дугових електропечах, індукційних печах із стальним осердям і без осердя, в полуменевих печах і тигельних печах.

Дугові печі (рис.6.4.) служать для плавлення бронз,а індукційні (рис.6.5.) – для плавлення латуней.

Полуменеві печі застосовують рідше, так як пічні гази окислюють мідні сплави, і в цих печах витрачається багато палива. Але коли за одне плавлення необхідно отримати велику кількість сплаву для заливання великих форм, застосовують полуменеві відбивні печі ємністю до 10 т і більше. Опалюють ці печі мазутом, або газоподібним паливом. Інколи бронзи і латуні виплавляють в закритих графітових тиглях (рис 6.3.). Таке плавлення забезпечує високу якість розплаву, але цей спосіб є мало- продуктивним і неекономним.

В якості шихти при виплавленні бронзи і латунів використовують чисту мідь (99,99%Cu) і легуючі елементи (Al,Mn,Si,Fe,Pb та інші); мідні сплави – лом бронзових і латунієвих виробів, додатки, живильники, стояки та інші відходи ливарного виробництва. Легуючі елементи в першому випадку

121

вводять у вигляді лигатур. Так, при легуванні залізом (Fe) з температурою плавлення tпл=15390С використовують лигатуру 90%Cu+10%Fe з tпл=9000С. При легуванні алюмінієм (Al) застосовують лигатуру 50%Cu+50%Al з tпл=5750С.

Для зихисту металу від окислення плавлення проводять під шаром деревного вугілля або флюса різного складу. Готовий сплав перед розливанням в форми розкисляють фосфористою міддю.

Для формувальних сумішей застосовують мілкозернистий пісок, що запезпечує отримання чистої і гладкої поверхні. В якості протипригарної добавки у фомувальну суміш вводять мазут.

7.5. Виробництво виливок із алюмінієвих сплавів

Алюмінієві ливарні сплави мають хороші технологічні і механічні

властивості, які змінюються в залежності від складу сплаву, методу лиття і термічної обробки. Сплави на основі алюмінію мають високу міцність при нормальній температурі, високі ливарні властивості, добре протистоять корозії. Висока рідкотекучість забезпечує виготовлення виливок із тонкою стінкою і складної конфігурації. Сплави мають невисоку температуру плавлення (tпл=550...6500С) і ливарну усадку (1,0...1,25%).

Ливарні алюмінієві сплави поділяються на 5 груп. Перша група на основі Al – Si (силуміни АЛ2, АЛ4, АЛ9). Вони

включають 6...13% Si, мають високу рідкотекучість, малу усадку, високу пластичність при охолодженні, достатню міцність, не утворюють гарячих тріщин.

Застосовуються ці сплави в усіх галузях народного господарства, особливо в авіаційній і автомобільній.

Друга група на основі Al – Mg (АЛ8, АЛ13). Вони включають 4,5...11,5% Mg, мають високу міцність, корозієстійкість і є найбільш легкими. Їх застосовують для сильно навантажених деталей, але вони погано працюють при підвищених температурах.

Третя група на основі Al-Cu (АЛ7, АЛ12, АЛ19). Вони включають 3...11% Cu, мають хорошу зносостійкість, але понижені ливарні і корозієстійкі властивості і недостатню пластичність. Добре обробляються різанням, тепломіцні.

Четверта група на основі Al – Cu – Si (АЛ3, АЛ3В, АЛ6, АКМ4,АЛ10В та інші). Вони включають 3...6% Si і 1...8% Cu, мають високу рідкотекучість, корозійну стійкість, добре зварюються. Ці сплави застосовуються в промисловості для виготовлення деталей достатньої твердості і міцності, які зберігають постійність розмірів в процесі експлуатації, і мають високу чистоту обробленої поверхні.

П’ята група на основі Al – Si – Zn – Cu (АЛ1, АЛ16В, АЛ17В,Ю АЛ11, АЛ21 та інші). Вони включають 3...5% Si, 4...7% Zn, 2...4% Cu, мають

122

підвищену міцність і жаростійкість. До недоліків слід віднести низьку рідкотекучість і велику усадку. Використовуються сплави цієї групи при виготовленні виливок, які працюють при підвищених температурах і тиску (АЛ1), з підвищеною стабільністю розмірів і для виготовлення зварних конструкцій і деталей. Сплави АЛ11, АЛ21 добре обробляються різанням.

Плавлення алюмінієвих сплавів виконують в тигельних, полуменевих, індукційних і електричних печах. Найбільш частіше застосовується електрична піч опору (рис.6.6.). Розроблена ефективна технологія застосування флюсів, способів дегазації і рафінування для виливки алюмінієвих сплавів в полуменевих печах ємкістю 30т і більше. При невеликих розмірах виливки,плавлення сплавів ведуть в тигельних печах.

Основою для отримання алюмінієвих сплавів є чушковий первинний алюміній. Застосовують також переплавлену стружку, ливники, додатки, живильники тощо. Для легування в основному застосовують алюмінієвокремнисту лигатуру. При плавленні алюмінієві сплави інтенсивно поглинають гази, особливо водень і легко окислюються. Водень виділяється при затвердінні і охолодженні сплавів в формі, при цьому можливі утворення газових пористостей. Включення Al2O3 суттєво знижує механічні властивості сплаву.

Для захисту розплаву його плавлення ведуть під шаром флюсу: 50% NaCl, 35%KCl, 15%Na3AlF6 або 50% NaCl, 50%KCl.

Алюмінієвий сплав продувають хлором або азотом для видалення газів, неметалевих включень. Пухирці хлору або азоту виносять неметалеві включення і водень на поверхню сплаву. Дегазація і рафінування також може використовуватись хлоридами марганцю (MnCl2) і цинку (ZnCl2). При їх введені в розплав утворюється хлористий алюміній AlCl2, він перетворюється у пар і у вигляді пухирців видаляється із металу, виносячи неметалеві включення і водень. Хлорування проводять на протязі 10...15 хв, в ківші і в спеціальних камерах при температурі розплаву 750...7700С. Для змільчення зерна і отримання більш щільної виливки, алюмінієві сплави (силуміни) піддають модифікуванню. В якості модифікаторів застосовують чистий натрій або його солі: 33% NaCl, 67% NaF, або 62,5% NaCl, 25% NaF і 12,5% KCl.

Розплавлені, рафіновані і дегазовані алюмінієві сплави заливають у форми при температурі 720...7500С. При отриманні невеликих деталей застосовують лиття під тиском, лиття в металеві форми (кокіль). Для отримання великих і середніх виливок застосовують лиття в пісчано-глинисті форми, при цьому для отримання рівної поверхні необхідно застосувати мілкозернисті формувальні суміші. Швидке охолодження алюмінієвого сплаву в металевих формах створює умови отримання мілкозернистої структури металу, відповідно підвищення механічних властивостей. Для алюмінієвих сплавів виготовляють ливникову систему, яка розширюється, тим самим забезпечується відокремлення неметалевих частин.

123

Після охолодження, вибивки і обрубки виливок із алюмінієвих сплавів їх піддають термічній обробці, після якої, міцність в деяких випадках, збільшується вдвоє.

7.6. Виробництво виливок із магнієвих, титанових і цинкових сплавів.

Магнієві сплави мають низькі механічні і ливарні властивості, але мають

меншу питому вагу і вищу питому міцність, чим алюмінієві сплави. Ці сплави застосовують в авіаційній та приладобудівній галузях. Для підвищення механічних властивостей, магнієві сплави загартовують.

Магнієві сплави можна розділити на три групи. Перша група на основі Mg – Si (МЛ1). Сплав МЛ1 має низькі ливарні

властивості і використовується для виготовлення виливок простої форми. Цей сплав має добру герметичність і зварюваність.

Друга група на основі Mg – Mn (МЛ2). Цей сплав має приблизно такі ж властивості як МЛ1.

Третя група на основі Mg – Al – Zn (МЛ3, МЛ4, МЛ5 і МЛ6). Ці сплави мають кращі ливарні властивості і їх застосовують в авіаційній, автомобільній і радіотехнічній галузі.

Магнієві сплави при температурі плавлення інтенсивно окислюються і загораються, поглинають водень і азот з яким утворюють нітриди. Тому плавлення цих сплавів необхідно вести під шаром флюсу, а в формувальну суміш добавляють 4...8% фтористих присадок(фтористих солей); в стержневу суміш – 0,25...1% борної кислоти і сірки. При взаємодії з магнієм на поверхні виливок утворюються щільні захисні плівки, а утворені газоподібні речовини утворюють прошарок між виливкою і формою.

Для покращення механічних властивостей магнієві сплави перегрівають в тиглі до температури 850...9000С і витримують 15...20 хв до розчинення тугоплавких сполук заліза, або модифікують. При модифікуванні використовують крейду або хлористе залізо. Для сплавів, які не включають алюміній покращення властивостей (змільчення зерна) досягається невеликими присадками цирконію.

Плавлення сплавів ведуть в стальних тиглях (так як магній не розчиняє залізо) тигельних печах, індукційних тигельних печах і електричних печах опору.

Виливки магнієвих сплавів отримуються при литті під тиском, литті в пісчано-глинисті форми та інші спеціальні види лиття. При литті в пісчано-глинисті форми виготовляють ливникову систему, яка розширюється, тим самим забезпечується відокремлення неметалевих частин.

При заливанні у форму магнієвий сплав опилюють порошками сірки для запобігання його загорання.

124

При закінченні заливання металу у форми, в ківші повинно залишатись приблизно 15% всього розплаву тому, що в цьому залишку збираються флюси, які переплавляють повторно.

Титанові сплави легкі і міцні, щільність досягає 4,5 г/см3. Сплави на основі титану застосовують в авіаційній і кораблебудівній галузі.

Титан має високу температуру плавлення (tпл=16700С) і хімічну активність, тому при його плавленні застосовують спеціальні тигельні печі і захисне аргонове середовище.

Цинкові сплави мають низьку температуру плавлення і добрі ливарні властивості. Із них виготовляють невеликі фасонні виливки, використовуючи лиття під тиском. Плавлення цинкових сплавів виконують в тигельних печах.

Отримання виливок в пісчано – глинистих формах

8.1. Будова ливарної форми. Виготовлення стержнів. 8.2.Матеріали, пристрої, інструменти та обладнання для виготовлення

разових форм. 8.3.Збирання форм. Плавлення сплаву і заливання форм. Вибивання

виливки. 8.4.Схема технологічного процесу виготовлення виливок в разових

формах. 8.5.Формувальні і стержневі суміші, їх приготування та випробування.

8.1. Будова ливарної форми. Виготовлення стержнів

Ливарна форма – це система елементів, які утворюють робочу порожнину, при заливанні якої розплавланим металом формується виливка. Форми виготовляють із різних матеріалів: пісчано–глинистих сумішей, металевих сплавів, вогнеупорів. Форми, які виготовлені із пісчано–глинистих сумішей, заливають металом тільки один раз тому, що при видаленні виливок вони руйнуються. Тому вони називаються разовими або тимчасовими. Металеві форми в залежності від того, із якого сплаву вони виготовлені і якими сплавами заливаються, витримують декілька сотен, тисяч і десятки тисяч виливок, і називаються багаторазовими або кокілями. Форми, які виготовляють із вогнетривких матеріалів, цегли і глини, служать для отримання декількох виливок, перед кожним наступним заливанням їх ремонтують, виправляють. Ці форми називаються напівпостійними.

Найбільш поширені в ливарному виробництві разові форми, в яких отримують 75...80% лиття по вазі. Це пояснюється тим, що застосування разових форм не обмежено ні родом сплаву, ні температурою його заливки, ні складністю і розмірами виливок. В індивідуальному виробництві виготовлення виливок в разових формах є найбільш дешевим способом.

125

Форма включає в себе нижню і верхню опоки 5 і 6 (рис.8.1.), які виготовляються під розміри моделі 2, стержень 4, ливникову систему 7, пісчано–глинисту суміш 10, приливи 11, випор 8. Відливаєма деталь 1 має отвір, який утворюється стержнем 4.

Рис.8.1. Будова ливарної форми.

Стержень фіксується у впадинах, які утворені стержневими знаками 3

моделі. Отримана виливка 9, після руйнування ливарної форми, буде мати метал, який залишився у випорі і ливниковій системі, і який відокремлюється відрубуванням або відрізанням.

Ливарні опоки – це пристрої для утримання формувальної суміші при виготовленні форми. Верхню і нижню опоки орієнтують за допомогою металевих штирів – фіксаторів, які встановлюються в отвори приливів. Опоки, як правило, виготовляють із металу, витримують вони до десяти тисяч виливок.

Модельний комплект складається із моделі виливки, одного або декількох стержневих ящиків і моделей елементів ливникової системи.

Модель служить для отримання форми (зовнішніх її контурів). Внутрішні порожнини і отвори у виливці утворюються стержнями.

Для підводу розплавленого металу в площину ливарної форми, її заповнення і підживлення, використовується ливникова система (рис.8.2). Ливникова система складається із ливникової чаші (воронки) 1, стояка 2, шлаковловлювача 3, живильників 4, випору 5, для виходу газу і компенсації зменшення об’єму металу під час усадки. Ливникова чаша має виступ 6, для затримання різних домішок і включень в металі, за рахунок переливання рідкого металу. Випор служить для виведення газів і повітря з форми при поступовому заповненні її рідким металом. Також він фіксує той момент, коли форма повністю заповнена розплавленим металом.

конвхосте

ящочитогмовелдропід

1-ливнико

Стержень слнтурів, що фодять у відпержневих ящ

Рис

Для виготовщик. Після вищають від го, щоб до недельною пуликих стержотинні каркдвищується

Рова чаша; 2-ст

6-

лужить для уфіксуються зповідні впадииках 1 (рис.8

.8.3. Стержне1-ст

влення стержвидалення ізприлиплої сеї не прилипудрою – талжнів і стержнкаси або лишляхом нак

126

Рис.8.2. Ливнтояк; 3-шлак-шлакозатрим

Виготовленн

утворення поза допомогоюини у формі8.3.).

евий ящик і стержневий ящ

жня, стержнез ящика, стстержневої спала суміш. Зльком або гнів складноїиті чавунні колювання у

6

никова системовловлювач; муючий висту

ня стержнів. орожнини, отю виступів . Ливарні ст

стержень длящик; 2-стерж ева суміш натержень сушсуміші і проЗ цією ж метграфітом. Длї конфігурацрамки. Га

у них вент

ма:

4-живильникуп.

.

творів та інш(стержневих тержні 2 виг

я виливки втужень.

абивається в шать. Стержотирають кертою моделі прля підвищенції в них зоазопроникністтиляційних к

к; 5-випор;

ших складнихзнаків), якіотовляють в

улки:

стержневийжневі ящикиросином длярипудрюютьної міцностіоформовуютьть стержнівканалів, або

х і в

й и я ь і ь в о

127

заформовування у них воскових шнурків з cлідуючим виплавленням при сушінні.

Стержні, для підвищеної міцності і газопроникності і зменшення їх газотворчої здатності піддають сушінню. Режим сушіння вибирають в залежності від складу стержневої суміші і розмірів стержня. Температура сушки залежить від типу зв’язуючого і складає для стержнів, які виготовленні із пісчано–глинистих сумішей, 300...350оС. Стержні із стержневих сумішей з водорозчинними зв’язуючими і зв’язуючими, які затвердівають в результаті окислення і полімеризації, сушать при температурі 150...250оС. Тривалість сушки залежить від розмірів і ваги стержнів і складають 1...10 годин. Стержні сушать в три етапи. Перший етап – повільний підігрів всього стержня до 100оС для того, щоб запобігти розриву стержня парами води. Другий етап, заключається в швидкому підйомі температури стержня до максимального рівня. При цій температурі проходять необхідні зміни зв’язуючих (окислення, плавлення, полімеризація) і міцність стержня підвищується.

Третій етап сушки – повільне охолодження сухих стержнів до температури 50...70оС, при якій вони виймаються із печі. Зменшення швидкості охолодження стержнів дозволяє запобігти розтріскуванню поверхневих шарів стержня і їх окислення. Після сушки проводять контроль розмірів і якості поверхні стержня. Стержні складної конфігурації виготовляють по частинах, збирають в спеціальних пристроях і потім склеюють. Для склеювання застосовують клеї, які забезпечують рівноміцність з’єднувальних поверхонь і сухих стержнів. Один із пропонуємих складів клею слідуючий: 40...45 вагових частин вогнетривкої глини і 60...65 вагових частин рідкого скла.

Для зарівнювальних швів і пошкоджених ділянок стержня застосовують спеціальну пасту слідуючого складу: тальку, напівжирного піску, води і сульфідної барди. Для покращення поверхні алюмінієвих виливок, стержні рекомендується фарбувати спеціальними фарбами. Сирі стержні обпилюють розчином закріплювача з добавленням крейди, талька, графіта, борної кислоти (для Al – сплавів). Сухі стержні покривають фарбою слідуючого складу: 40...50% полівінілбутирального лаку (2% - вий розчин) і 50...60% пропеченого тальку або обеззалізненого цирконового концентрату.

Сухі стержні після склеювання, зарівнювання швів і пофарбування підсушуються. Щоб запобігти конденсації вологи, стержні можна ставити у форму тільки в охолодженому вигляді.

8.2. Матеріали, пристрої, інструменти та обладнання для виготовлення

разових форм Для виготовлення разових форм необхідні наступні матеріали, пристрої,

інструменти і обладнання:

ф

ф

м

пд

ввм

скл

порвсьмо(ри

наз

1. моделформ і канали

2. формформи і стерж

3. опокиміцність і жор

4. інструпідмодельні душники тощ

5. форм6. підйоНа рис.8

виготовленнявказує на темати припуск

Величина пладніша. Розм Виготовленн Модель нерожнини форього виготовделі вказуютис.8.5.). Перпендикузиваються фо

льні комплеки ливниковоїмувальні і стежні; и – рамки, в ярсткість; ументи і пплити, трам

що; мувальні і стеромно – трансп8.4. наведеня якої необхіде, що ці повек на механічн

Р

припусків тимміри припуск

ня моделі, ст

еобхідна длярми, яка є овляють роз’ємть верх – В

улярно площормувальним

128

кти, за допомї системи; ержневі суміш

яких отримую

пристрої, нембовки, сита

ржневі машипортні машинно кресленндна виливка. ерхні оброблну обробку.

Рис.8.4. Крес

м більша, чиків визначают

тержневих ящ

я утворенняберненим зомними для зі низ – Н ф

щині розніманми, для того

8

могою яких у

ші – матеріал

ють форми і

еобхідні дл, лопати, гл

ини; ни. ня деталі (Позначення ляють на вер

слення деталі им більші роть по ГОСТу

щиків, опок т

я відбитки ображенням взручності фоорми відносн

ння моделі, щоб модель

утворюються

ли, із яких в

які надають

ля виготовлладилки, гачк

(газовий пална кресленнястатах і вили

і.

озміри деталіу.

та іншої осна

у формі –виливки. Моормування. Нно порожнин

передбачені ь можна було

я порожнини

иготовляють

їм зовнішню

ення форм:ки, ланцети,

льник), дляях Rz80, Rz50ивка повинна

і і чим вона

астки.

– отриманняделі частішеНа кресленніни – роз’єма

уклони, якіо вийняти із

и

ь

ю

,

я 0 а

а

я е і а

і з

фоα=

різмашІнк

декволексповчасмет

цілоднотрплиМедесних

їх в

вигроз

пер

рми без пош0,5...30.

Модельні ко

зних порід дешинного форколи для цих Дерев’яну мкількох частлокна перехсплуатації. Дверхні, дерестини моделіталом. Металеві мо

ле і називаностороннімиримують дві ита, на якій еталеві модесятків тисяч х, більш точнАле модельвигідно тількДля утворенготовляють вз’ємними, виДля точноредбачають н

шкоджень ос

Р

омплекти дляерева (соснирмування – іцілей застосмодель виготин добре вихрещувались.Для зниженнв’яні моделіі, які швидко

оделі виготоають їх мои і двосторополовини фозмонтовані ельні плити формовок, і ні. ні плити знаки при крупноння порожнив стержневихитрусними тощго фіксуванна моделі і в

129

станньої. Вел

Рис.8.5. Крес

я ручного фо, вільхи, беріз металевих овують гіпс, отовляють нисушеної де. Це зменшня гідроскопі покривают зношуються

вляють разомодельними понніми. В оорми. На рисчотири модеміцні і довформи, а ві

ачно дорожчіосерійному аини чи отвох ящиках. Стещо. ння стержнів стержневом

9

личина уклон

слення модел

ормування вирези, липи, грсплавів (найспеціальні це з одного еревини, які шує короблепічності і отть масляною я, виконують

м з підмоделплитами. Моостанньому вс.8.6 показанаелі 1 і моделвговічні, вонідповідно, і в

дерев’яних або масовомуорів у виливцержневі ящик

ів у формму ящику пр

ну знаходить

і.

иготовляютьруші, ясена тйчастіше – алементи і пласбруска, а свкладають

ення моделітримання білфарбою аб

із металу аб

льними плитодельні пливипадку по а двохсторонлі ливниковони витримуювиливки, які

моделей, і зау виробництвці, служать ки бувають –

мі, служать ри їх виготов

ься в межах

ь із деревинитощо), а длялюмінієвих).стмаси. склеюють ізтак, щоб їхі в процесільш гладкоїбо лаком. Тібо оббивають

тами як однеити роблятьодній плиті

ння модельнаої системи 2.ють декількаотримані на

астосовувативі. стержні, якісуцільними,

знаки, яківленні, знаки

х

и я .

з х і ї і ь

е ь і а . а а

и

і ,

і и

мовст

(вебез

забфо

делі утворютановлюють с

На рис.8.7

ерхня – 1, низ дна з буртик

1

Буртики слбезпечують ормування є

юють в порстержень при

Рис.8.61-моде

представленаижня – 2), якіками 3.

1-верхня опок

лужать для отримання в ручки 4. Оп

130

рожнині фори складанні ф

6. Двохсторонлі; 2-моделі л

а пара металі представляю

Рис.8.7. Пка; 2-нижня о

фіксації вевиливок без поки перед за

0

рми відповідформи.

ння модельналивникової с

левих опок дють собою ж

Пари опок: опока; 3-бурт рхньої опокперекосу. Уаповненням

дні заглибле

а плита: истеми.

для ручного жорсткий мета

тики; 4-ручки

ки відносно У опок формувально

ення, в які

формуванняалевий ящик

и.

нижньої, ідля ручногоою сумішшю

і

я к

і о ю

131

і заливанням сплавом, встановлюють на підмодельно – підопочну плиту, яка може бути і дерев’яною.

Інструменти, які застосовують при ручному формуванні, наведені на рис.8.8, де 1 – лопата для перелопачування формувальної суміші; 2 – решето для просіювання облицьовувальної суміші; 3 – набійка – трамбовка для ущільнення суміші в опоці; 4 – совок для насипання суміші в опоки; 5 – ланцет; 6 – гачок; 7 – лінійка металева для видалення надлишків формувальної суміші після ущільнення її в опоці; 8 – душник для наколювання у формі вентиляційних каналів; 9 – підйомник для видалення моделі із форми. Аналогічний інструмент застосовується для виготовлення стержнів.

8.3. Збирання форм. Плавлення сплаву і заливання форм. Вибивання форм.

Збирання форм.

На рис.8.9 показана послідовність операцій виготовлення форми при отриманні виливки без стержня, який включає в себе набивання верхньої опоки, видалення частин моделі, встановлення верхньої опоки на нижню, виготовлення ливникової чаші, видалення моделі стояка, додатка і випора.

Набивання нижньої опоки (поз.А). Модель виливки і елементи ливникової системи очищаються від залишків формувальної суміші, протираються ганчіркою, яка змочена в керосині. На підмодельно – підопочну плиту 1 кладеться нижня частина моделі 2 і нижня опока 3 так, щоб бічні приливи для замків були знизу. Частина моделі не повинна мати центруючих штифтів і кладеться площиною роз’єму вниз. Поверхню моделі виливки припудрюють сріблястим графітом.

Рис.8.8. Інструмент для ручного формування.

л

на сумопомммоДуперпри

ценкін

А-набиваннливникової ча

В опоку чертовщину шаміш обтискаоки заповнюм, і ущільнююделі. Надлишушником накревертають игладжують.Набивання нтруючих шнців моделі вс

Рис.8.9. Сня нижньої опаші, видаленнмоделі із оп

рез решето прару 20...30 ммають (ущільнюють сумішшють кожний шок ущільнеколюють венна 1800 роз верхньої опипах встановстановлюють

132

Схема процесупоки; Б- набиня моделі стопоки; Г-форм

росіюють облм з метою отрнюють) рухашю 4 без прошар спочаткеної суміші нтиляційні кз’ємом вверх

поки (поз.Б)влюють верхь модель дода

2

у ручного фоивання верхнояка і додаткама готова до з

лицьовувальнримання гладами навколо осіювання шку біля стінокверхнього шканали 5. Нх (поз.Б). П

. На нижнюхню половинатку 7, а на д

ормування: ньої опоки, виа; В-видалензаливки.

ну формувальдкої поверхнмоделі. Ост

шарами товщик опоки, а пошару зрізаютНабиту сумішПлощину роз

ю частину мну моделі 6.другий – моде

иготовлення ня частини

ьну суміш 12ні форми. Цютанній об’єминою 50...75отім навколоть лінійкою.шшю опокуз’єму форми

моделі 2 по На один ізель стояка 8.

2 ю м 5 о у и

о з

133

Поверхню роз’єму нижньої опоки посипають тонким шаром сріблястого графіту для того, щоб формувальна суміш верхньої опоки не прилипала до суміші в нижній опоці. Моделі припудрують.

Верхню опоку 9 встановлюють по центрувальним буртикам 10 на нижню 3. Насипають шар формувальної суміші, навколо моделі її обтискають руками. Кожний наступний шар суміші ущільнюють трамбовками аналогічно нижній.Після знімання надлишків ущільненої суміші лінійкою і наколювання вентиляційних каналів, виготовляють навколо стояка ливникову чашу, а далі моделі випора і стояка видаляють вверх (поз.Б).

Видалення моделей. Знімають верхню опоку, перевертають її на 1800 роз’ємом вверх і ставлять на підмодельно – підопочну плиту (поз.В). Із опок видаляють частини моделі виливки 2,6, попердньо їх розхитавши. Для видалення моделі застосовують підйомники 11. Якщо при видаленні моделі форма пошкоджена в незначній мірі, її виправляють. При сильному пошкодженні – набивають нову форму. Робочу порожнину присипають сріблястим графітом або тальком.

Складання форми. Верхню опоку обережно накладають на нижню таким чином, щоб співпало маркування, нанесене на бічній грані опоки, і пройшло центрування за допомогою буртиків на гранях опок. Опоки перед заливанням скріпляють скобами чи на верхню опоку накладають вантаж для запобігання витіканню розплаву через роз’єм форми під час заливки. Складена під заливку форма наведена на поз.Г.

Плавлення сплаву і заливання форм.

Готують розплав в шамотно – графітових тиглях, які розміщені в електропечі опору чи індукційних.

Добре просушений тигель ставлять в піч і нагрівають. Під час нагрівання тигля готують шихту, яка складається із ливників, додатків, забракованих виливок і свіжого розплаву.

Коли тигель нагрівається до червоного кольору, завантажують шихту, яка розплавляється. Температуру розплаву доводять до 700...7300С.

Заливати форми можна безпосередньо із тигля, в якому рафінують розплав, чи за допомогою металевої ложки, покритої захисною плівкою із окису цинку з рідким склом, яке є зв’язкою.

При плавленні, рафінуванні, заливанні форми потрібно дотримуватися правил техніки безпеки: працювати в захисних окулярах, рукавицях.

Вибивання виливки.

Після заливання форм, виливки затвердівають і потім охолоджуються в них. Тривалість охолодження в формі залежить від її маси, товщини перерізу, виду сплаву, теплофізичних властивостей формувальних матеріалів тощо. Час охолодження коливається від декількох хвилин для невеликих

тонвел

причав400первсекор

лабВи

(тоТрпісПоупр

водочиумочи

вик

нкостінних лликих виливоДля підвищискорюють, вунні виливк0...5000С. Перетворень у вередині масироблення і трОхолодженнбораторії), чибивна вібрац

При русі поовкача) 4, яканспортери псля додаваннорожні опокиравляється пуСтержні із вди діаметромищення повеовах лабораищають метаТакож очисконують в

литих деталеок. щення екононаприклад, оки можна виеревищення цвиливках. Внивної деталі вріщини у вилині до необхічи на машинційна решітка

Рис.8.о конвеєру 1 кий спихає фповертають фня до неї свіжи товкач 8 поультом 10. великих вилим 5...15 мм перхні виливокаторії пісок, алевими щіткстку мілких барабанах,

134

ей до декіль

омічності техобдуванням идаляти із фцих температнаслідок веливиникають тивці. дної темперанах, які наа показана на

10. Вибивна візок 2 вклю

форму на стілформувальну жих метеріалодає до упору

ивок видаляюпід тиском дк від прилиплякий прили

ками. виливок відякі обертаю

4

ькох годин

хнологічногоповітрям. Поформ при 70тур може прикої різниці ттермічні напр

атури виливказиваються а рис.8.10.

вібраційна реючає електрол 5 (вибивнусуміш, для нлів, виливки у 9 на конвеє

ють в гідравлідо 10 МПа. лих частинокип (пригорів

д залишків фються, кругл

або діб для

о процесу оо дослідних

00...8000С, серизвести до температур нруги, які мож

ки вибивают вибивними

ешітка. оконтакт 3 гіу вібраційнунаступного в– на обрубк

єр. Технологі

ічних камераПри цьому к формувальнв) до повер

формувальнилого або пр

масивних і

охолодженняданих, мілкіередні – приструктурнихна поверхні іжуть визвати

ть вручну (ви решітками.

ідроциліндрау решітку 7).використанняку і очистку.ічний процес

ах струменемпроходить іної суміші. Вхні виливок

х матеріаліврямокутного

і

я і и х і и

в .

а . я с

м і В к

в о

135

перерізу. До них разом з деталями завантажують “зірочки”із білого чавуна. Очищення поверхні проходить в результаті перекатування і тертя деталей і “зірочок” одна об одну.

Виливки можуть очищатись від формувальної і стержневої суміші в гідропіскоструйних і дробоструйних установках де струмінь води з піском під тиском до 3МПа, або струмінь стисненого повітря який несе в собі чавунний чи стальний шрот і викидається зі швидкістю 60...70 м/c із головки, яка обертається.

Видалення (обрубка) ливників ,додатків і дефектів проводять на дискових і стрічкових пилах, газовою і електродуговою різкою, пневматичними зубилами тощо. Ливникові системи від чавунних виливок можуть просто відбиватись молотком.

Зачистка виливок після їх очистки проводиться на стаціонарних і рухомих наждачних верстатах.

8.4. Схема технологічного процесу виготовлення виливок в разових

формах.

Схема технологічного процесу виготовлення виливок в пісчано-глинистих формах наведена на рис.8.11.

Виготовлення виливок є досить складний комплекс технологічних процесів. Технологія виготовлення починається із виготовлення моделі і стержневих ящиків, опок, модельних плит, шаблонів для перевірки розмірів форми і стержнів. Всі ці операції виконуються в модельному цеху заводу.

Свіжі шихтові і формувальні матеріали знаходяться на складі формувальних матеріалів. Тут і виконується підготовка цих матеріалів до виготовлення ливарної форми. Вони висушуються, просіюються і відправляються в сумішоприготувальне відділення, де в спеціальних змішувачах готуються формувальні і стержневі суміші.

Ливарні форми і стержні виготовляють в формувальних і стержневих відділеннях цеху. В цих же самих цехах і збирають форми. Цей процес називається формовкою.

Однією із основних операцій технологічного процесу є приготування розплаву металу, яка починається з підготовки шихтових матеріалів. Шихтові матеріали зберігають на складі –шихтовому дворі. Тут матеріали сортують і після перевірки хімічного складу подають в відділення плавлення. Чавун плавиться у вагранках, полуменевих і електричних печах; сталь - в мартенівських печах, конверторах, електричних печах; кольорові метали - в полуменевих і електричних печах.

Шихта для виливок із чавуна і сталі включає ливарні і передільні чавуни, стальний і чавунний лом, повернення свого виробництва (ливники, додатки, брак), брикетовану стружку, феросплави. Для виливок із кольорових сплавів використовують чисті вихідні матеріали в чушках-алюміній, магній, лігатури,

136

а також сортовані повернення свого виробництва. Також, для плавлення застосовують флюси-матеріали, які необхідні для утворення шлаку, і очищення металу.

Рис.8.11. Схема технологічного процесу виготовлення виливок в разових

формах Після розплавлення шихти і приготування розплаву він зливається із печі

в розливочні ківші і подається на заливку форм. Після заливання і охолодження виливки вибивають із форм вручну або на спеціальних вибивних машинах-решітках. Формувальна суміш, яка була вже у виробництві стрічковим конвеєром направляється на охолодження і переробку в сумішоприготувальне відділення.

Очищення і обробка виливок виконується в очисному відділенні.

80-9

0 %

формувальної

сум

іші Приготування формувальних і

стержневих сумішей

Склад свіжих шихтових і

формувальних матеріалів

Заливка

137

З очисного відділення виливки надходять в відділ технічного контролю (ОТК).

Після технічного контрою виливки термічно обробляють (відпал, нормалізація, штучне старіння) та знімання внутрішніх напруг. Потім виливки знов контролюють і відправляють на обробку різанням.

Форми виготовлені із пісчано-глинистої суміші заливають металом тільки один раз тому, що при вивільненні виливок вони руйнуються. Цей вид лиття є основним видом лиття. Це пояснюється тим, що застосування разових форм не обмежено ні видом сплаву, ні температурою її заливання, ні складністю і розмірами виливок. Крім цього, в індивідуальному виробництві виготовлення виливок в разових формах є найбільш дешевим.

8.5. Формувальні і стержневі суміші, їх приготування та випробування.

Вихідними матеріалами при виготовленні формувальних і стержневих

сумішей служить пісок і глина. При виготовленні ливарних форм використовується як нова так і суміш, яка вже була у використанні. Для покращання механічних і технологічних властивостей в суміш із піску і глини вводять допоміжні формувальні матеріали: вяжучі (смоли, цемент, рідке скло, бітум, каніфоль), протипригарні добавки (пиловий кварц, шамот, молотий кокс, графіт, хромистий залізняк, кам’яновугільний пил), захисні (борна кислота, фториста присадка), газоутворюючі-підвищуючі газопроникність і піддатливість суміші (деревні опилки, річковий пісок з розміром зерен від 0,25 до 1 мм). До допоміжних матеріалів відносяться замазки, клей, лаки і фарби.

Найбільш часто застосовують кварцовий пісок, який складається із кремнезема SіО2 і має високу вогнетривкість (tпл=1713°с), міцність, твердість, технохімічну стійкість. Недоліком кварцу є те, що при нагріві до 575 °С в ньому проходять перетворення , які зв’язані із зміною об’єму. Це приводить до тріскання зерен піску і збагачення формувальної суміші пиловими частинками. Тому суміш для повторного використання необхідно збагачувати добавками свіжого піску.

Дрібнозернисті піски використовують для мілкого лиття, що забезпечує отримання гладкої поверхні виливок. Для великих виливок застосовують крупнозернисті піски, які забезпечують більш високу газопроникність формувальної суміші.

Другим вихідним матеріалом є глина. Вона виконує функції звязуюючого елемента і забезпечує міцність і пластичність. Глина – це змільчена гірська порода, яка після взаємодії з водою має високу пластичність. В більшості глин основним матеріалом є каолініт. Al2О3⋅2SiO2⋅2H2O. Знижують пластичні властивості шкідливі домішки: слюда, польовий шпат та інші мінерали.

138

В ливарному виробництві, крім каолінових глин застосовують бентонітові Аl2О3⋅4SіО2⋅Н2О⋅nН2О, які мають в два-три рази більш високі зв’язуючи властивості .

Формувальні суміші в залежності від вмісту глинистих речовин діляться на класи (табл. 8.1).

Вихідні матеріали і пісок скріплюються перерахованими вище в’яжучими для надання міцності в вологому і сухому стані формувальних і стержневих сумішей.

В’яжучі вводять в формувальні і стержневі суміші в невеликих кількостях (1,5....3%).

Класифікувати в’яжучі можна по природі матеріалу: органічні і неорганічні, водорозчинні і нерозчинні у воді; по характеру затвердіння: незворотні, проміжкові і зворотні.

Таблиця 8.1 Класифікація формувальних сумішей

Технологічні властивості формувальних і стержневих сумішей визначають якість ливарних форм і стержнів. До них відноситься: міцність,поверхнева міцність, пластичність, піддатливість, вогнетривкість, газопроникність, текучість, вибиваємість, негігроскопічність, довговічність і теплофізичні властивості.

Міцність – це властивість матеріалу форми (стержня) не руйнуватися при її виготовленні, видалені моделі із форми, транспортуванні і заливанні форми металом.

Міцність суміші збільшується із збільшенням вмісту глини і зменшеннями розмірів зерен піску, а також збільшенням щільності. Стандартними характеристиками є: для сирих сумішей – межа міцності при стисканні σст, для сухих форм (після сушіння) – межа міцності при

Назва

Клас

Вміст глинистих складових в

%

Вміст в % не нижче

Шкідливі домішки, % не більше

Оксиди лужно-

земельних металів

Оксиди заліза

(Fe2O3)

Кварцеві Кварцеві Кварцеві Кварцеві Пісні

Напівжирні Жирні

Дуже жирні

1к 2к 3к 4к П Н Ж ДЖ

до 2 до 2 до 2 до 2 2...10

10...20 20...30 30...50

97 96 94 90 - -

- -

1,2 1,5 2 - - - - -

0,75 1,0 1,5 - - - - -

139

розтягуванні σр. Для пісчано-глинистих сумішей σст=30...70кПа, σр=80...200кПа.

Поверхнева міцність (обсипаємість) –це опір дії струменю металу при його заливанні, який виконує стираючу дію. При недостатній поверхневій міцності спостерігається обсипаємість, при цьому окремі частини формувальної суміші попадають в виливку.

Пластичність – це здатність суміші деформуватися без руйнування і точно відтворювати відбиток моделі (стержневого ящика) і зберігати отриману форму.

Пластичність підвищується, якщо в суміші збільшувати кількість зв’язуючих матеріалів глини і води, а також піску з мілкими зернами.

Піддатливість – це здатність суміші стискатися під дією усадки сплаву. При недостатній піддатливості в виливці виникають напруги, які можуть привести до утворення тріщин, особливо між виступами. Кращу піддатливість має великий окатанний річний пісок. Глина погіршує піддатливість. Для покращання піддатливості в формувальні суміші добавляють опилки, фрезерний торф.

Вогнетривкість – це здатність суміші чинити опір розм’ягченню чи розплавленню під дією температури розплавленного металу. Оплавлення або хімічна взаємодія металу з сумішшю приводить до утворення плівки пригару, яка погіршує якість поверхні і затруднює наступну обробку виливки. При оплавленні формувальної суміші різко знижується її газопроникність. Чим більші зерна піску, чим менше в ній домішок і пилу, чим більше кремнезему, тим більша вогнетривкість. Кварцевий пісок і біла глина мають високу вогнетривкість. Вогнетривкість можна підвищити введенням у суміш графіту.

Газопроникність – це здатність суміші пропускати через себе гази внаслідок пористості. В розплавленому металі завжди є розчинені гази, які видаляються при його охолодженні і затвердінні. Велика кількість водяних парів і газів виділяється також із самої формувальної суміші при її нагріванні. При недостатній газопроникності в тілі виливки можуть утворюватись газові пухирі-раковини. Газопроникність буде тим більша чим більші зерна піску і чим менший вміст глини у суміші. Для оцінки формувальної суміші користуються коефіцієнтом газопроникності К, який визначають експериментально. Для пісчано-глинистих сумішей К=30...120 одиниць.

Текучість – це здатність суміші обтікати моделі при формуванні, заповнювати порожнини стержневого ящика. Суміш повинна переміщуватись без особливих зусиль в процесі формування і забезпечувати однакове ущільнення в усіх частинах форми (стержня) без рихлих місць і порожнин.

Вибиваємість – це здатність суміші легко видалятись із форми і порожнини виливок при їх вибиванні після охолодження. Суміші, в яких

140

в’яжучі речовини втрачають міцність при нагріві після заливанні сплаву мають добру вибиваємість.

Негігроскопічність – це здатність суміші після сушіння не поглинати вологу із повітря на протязі довгого часу.

Довговічність – це здатність суміші зберігати свої властивості при багатократному використанні.

До теплофізичних властивостей відносяться теплопровідність і питома теплоємність, які суттєво впливають на швидкість кристалізації металу і його охолодження. Тим самим вони впливають на структуру і властивості виливок.

Формувальні суміші по способу виготовлення розрізняють для формовки всиру (форми без попередньої сушки заливають металом) і для формовки всуху (перед заливанням металом форми сушать для підвищення їх якості). Формовка всиру найбільш поширена. Основою нової суміші є вибита із опок відпрацьована, в яку добавляють свіжі матеріали (глину, пісок) і вносять інші добавки, які складають 1...5% загального об’єму.

Формувальні суміші по призначенню поділяються на облицювальні, наповнюючі і єдині.

Облицювальна суміш безпосередньо контактує з рідким металом, тому є найбільш навантажена. Вона облягає модель шаром товщиною до 100мм. В її склад вводять до 40% свіжих добавок, для надання їй підвищених фізико- механічних властивостей.

Наповнююча суміш служить для заповнення останньої частини форми і працює вона разом із облицювальною. Головним чином вона складається із “відпрацьованої суміші” в яку добавляють воду, невелику кількість піску і глини для освіження(приблизно 10...20%). Використовують ці суміші для виготовлення великих і складних виливок.

Єдині суміші застосовують для виготовлення всієї форми. Форму використовують при машинному формуванні в цехах серійного і масового виробництва. Приблизний склад єдиної формувальної суміші для виготовлення чавунних виливок середньої складності вагою 20...300кг: відпрацьована суміш - 80%, кварцовий пісок – 14%, кам’яновугільний пил – 6%.

Стержнева суміш сприймає значно більші термічні і механічні навантаження чим формувальні тому, що стержень із усіх сторін оточений розплавленим металом. Тому стержні повинні мати підвищену міцність, вогнетривкість, піддатливість і газопроникність. Основою стержневих сумішей є кварцовий пісок. Склад стержня вибирають із урахуванням його розміру, складності, а також металу із якого виготовляється виливка. Стержневі суміші по складу поділяють на пісчано-глинисті і пісчано-масляні. Пісчано-глинисті застосовують в основному для виготовлення великих стержнів на каркасах. Пісчано-масляні суміші складаються із кварцового піску з добавкою в’яжучих- лянного масла чи його замінників і

141

застосовується для виливок складної конфігурації і відповідального призначення.

Широко застосовуються для чавунного і стального лиття швидкотвердіючі суміші, в яких в’яжучим є рідке скло. При цьому форма обдувається вуглекислим газом, який діє на рідке скло і проходить швидке твердіння суміші і форма набуває високої міцності. Приблизний склад швидкотвердіючої суміші: 85% кварцового піску, 9% глини, 5% рідкого скла і 1% їдкого натру.

Приблизний склад стержневої суміші для виготовлення нескладних по формі стержнів: кварцовий пісок 90...92%, глина 4...6%, сульфідна барда 2...3%, вода 3...4%.

Застосування протипригарних і допоміжних матеріалів в залежності від виду металу, який плавиться. Пригар – це шар формувальних матеріалів, оксидів металу, які міцно

з’єднані з поверхнею виливки. Найчастіше пригар зустрічається при плавленні металів з високою температурою плавлення (чавун, сталь).

При плавленні чавуну, для отримання виливок без пригару при формуванні в суміш вводять кам’яновугільний пил, мазут, нафтовий кокс, деревний пек. В результаті розкладання таких добавок при заливанні форми утворюються гази, які забезпечують газовий прошарок між розплавом і стінкою форми. Це і запобігає утворенню пригару. В одиничному виробництві для запобігання пригару форми просичують графітом або деревним порошком.

При плавленні сталі для запобігання пригару вводять окислювальні добавки – хлориди і фториди металів, пятиокис ванадію, а також пиловий кварц, алюмінієву пудру.

При формуванні по-сухому для запобігання пригару в основному застосовують протипригарні фарби і пасти. Основними компонентами фарб, які використовуються при литті виливок із чавуна є графіт і тальк. Фарби на основі графіту використовують при виготовленні середніх і великих товстостінних виливок. Фарби на основі талька застосовуються при литті виливок середніх розмірів і маси. В склад фарб для особливо великих виливок крім графіту вводять молотий кокс.

При виливці великих виливок із сталі і чавуна застосовують пасти, які більш густі чим фарби. Пасти виготовляють на основі високовогнетривких матеріалів – хроміта і хромомагнезита.

Для зменшення прилипання суміші до стінок моделі і стержневих ящиків застосовують керосин і суміш керосину з мазутом, суміш керосину і графіту. З цією метою використовують графіт, тальк у вигляді порошку.

Технологічний процес виготовлення формувальної суміші включає: перемішування компонентів суміші, їх вистоювання і розрихлення.

142

Перемішування підготовлених складових –зворотньої суміші і свіжих матеріалів, в залежності від характеру і призначення лиття, з водою для зволожування проводиться на змішувальних бігунах.

Попередньо піски сушать при температурі ~ 250°С в кип’чому шарі, в повітряному потоку або в печах барабанного типу і потім просіюють.

Глину сушать при 200...250°С в печах барабанного типу, розмільчують на дробилках, потім розмелюють в шарових млинах або бігунах і просіюють. Як правило, в формувальну суміш глину доцільно вводити не в порошкоподібному стані, а в вигляді суспензії(30...40 частин глини і 45...60 частин води). Суспензія готується в лопатних змішувачах.

Вугільний порошок отримують помолом вугілля аналогічно отриманню порошкоподібної глини.

Порошкоподібний кварц, графіт, синтетичні смоли, каталізатори та інші вихідні матеріали надходять в цех в готовому вигляді.

Зворотні суміші після вибивки із опок розминають на гладких валках, очищають від металевих частин на магнітному сепараторі і просіюють.

Схема бігунів для перемішування компонентів суміші наведена на рис.8.12. Вона включає нерухому чашу 1, з двома гладкими котками 5, які обертаються довкола вертикальної осі 2 і одночасно довкола своїх горизонтальних осей(маятників 4, які кріпляться за допомогою шарнірів 6 до траверси 3) внаслідок тертя об землю, яка подається в чашу. Поданий в чашу матеріал безперервно направляється під котки за допомогою плужків 7, які кріпляться на траверсі. Суміш, що виготовляється, перемішується і викидається із бігунів плужками через люк 8, який відкривається в днищі чаші.

Час перемішування для єдиної суміші складає 3...5хв, для наповнювальної 3хв і облицювальної 6...10хв.

Після перемішування суміш завантажують в бункер, де вона вистоюється на протязі декількох годин для рівномірного розпреділення вологи і утворення водяних оболонок навколо глинистих частинок.

Потім проводять відбір проби за допомогою дільника проб – звуженої донизу бляшаної коробки 1 з вузькими вікнами 2, що виходять почергово на два протилежні боки і відводять матеріал, що насипається зверху, в два підставлені ящики 3 (рис.8.13.). Матеріал, який попав в один з підставлених ящиків, відкидають, а з другого ящика матеріал знову насипають в дільник. Так це продовжується до відбору потрібної кількості матеріалу для випробування. Перше випробування формувальної суміші – це визначення вологості. Прискорене визначення вологості проводиться в спеціальній чотирьохмісній печі, яка складається з чотирьох залізних трубок, через які зверху продуваються стиснене повітря, нагріте електроспіралями 2, що знаходяться всередині трубок (рис.8.14). Подальше продування проходить внизу через наважки досліджуваних сумішей, які розміщені в чашечках з сітчатими днами 3. Контроль температури здійснюється термометром 4.

143

Рис.8.12. Схема бігунів для переміщення компонентів формувальної суміші:

1-нерухома чаша; 2-вертикальна вісь; 3-траверса; 4-маятник; 5-гладкі котки; 6-шарніри; 7-плужки; 8-люк.

Рис.8.13. Схема дільника проб: 1-бляшана коробка; 2-вікна; 3-ящики.

Наважку вагою 50г. піддають сушінню в печі протягом 4-8хв при температурі продувного повітря до 200°С, після чого зважують.

144

Відсоток вмісту вологи в суміші встановлюється з різниці ваги до і після сушіння. Вологість суміші рекомендується 4 - 6%. Формула визначення вологості має наступний вигляд:

W=((Gw – Gc)/Gw)⋅100%, де W – вологість; Gw – вага вологої проби; Gc – вага висушеної проби.

Друге випробування формувальної суміші – це визначення вмісту глинистих складових.

Глину і пісок можна розділити тільки механічним шляхом по розміру частинок. Частинки розміром більше 0,022мм прийнято називати зерновою частиною піску.

Рис.8.14. Схема секції печі:

1-трубка; 2-електроспіраль; 3-сітчасте дно; 4-термометр.

Вміст глини в формувальних сумішах визначається методом відмулювання. Для цього застосовується пристрій, за допомогою якого дозволяють проводити дослідження на протязі 3…4хв (рис.8.15). Банку 3 розміщують на столі 5 пристрою і виконують його піднімання при цьому банка притискається до гумової прокладки 2, а стіл закріплюється рукояткою 4. Збовтування суміші виконується металевими стержнями з лопатками 6, які приводяться в рух електродвигуном 1 ,який закріплений на станині 7. Вмістимість банки 600см3 і насипають в банку 25г суміші і заливають водою. Вміст глини в суміші визначається по різниці мас.

145

Наприклад, після відмулювання отримали осад 35г. Значить, вміст глини в піску становить 50-35=15г, або (15/50)⋅100=10%. Класифікація формувальних сумішей наведена в таблиці 8.1.

Третє випробування формувальної суміші – це визначення зернового складу (ситовий аналіз). Зерновим аналізом встановлюють вагову кількість зерен різних розмірних груп в пісчаній основі формувального матеріалу. Наважку 50г сухої безглинистої пісчаної основи формувального матеріалу, яку одержали відмулюванням, пересівають через калібровані сита з точними розмірами вічок.

Рис.8.15. Пристрій для відмулювання глини від піску:

1-електродвигун; 2-гумова прокладка; 3-банка; 4-рукоятка; 5-стіл; 6-металеві стержні з лопатками; 7-станина.

Калібровочних сит є 11 і їх розміщують одне над другим, так щоб розміри вічок в них донизу зменшувались. Номери сит в залежності від розміру вічка наведені в таблиці 8.2.

Таблиця 8.2 Розмір вічка в залежності від номера сита

Стопку сит закриту зверху кришкою розміщують на спеціальний пристрій для просіювання (рис. 8.16).

Даний пристрій складається із станини 2, електродвигуна 3 і набору сит 1 діаметром 150мм. Сита скріплюються спеціальним пасом до опори, яка рухається. Просіювання забезпечується вібруванням, яке створюється ексцентриковим механізмом. Час просіювання складає 6-12хв.

Номер сита

2,5

1,6 1 063 04 0315 02 016 01 0063 005

Розмір сторони вічка, мм

2,5 1,6 1,0 0,63 0,4 0,315 0,2 0,16 0,1 0,063 0,05

отрОссум

нас

трьЯкпісбілвис

Г

гВС

Після просіюриманій масі сновною фракміжних ситах

В залежноступний розп

Марка піскуьох сумішей,кщо в основнсок відноситьльше, то пісосоку газопро

Пісок Г

Грубий Дуже грубий Великий Середній

0

ювання пісоквсіх залишкікцією піску вх.

Рис.8.16. П1-набір

сті від велподіл формув

Гр

у по зерновом, на яких залній фракції зься до категорок відноситьсникливість.

Група Номсизалзерн

063 04

0315 02

106

0403

146

к, який залишів судять провважається на

Пристрій для зсит; 2-стани

личини зеревальних пісків

рупи формув

му складу вилишились наалишок на врії А. Якщо зся до категор

мер суміжних ит, на яких лишаються на основної фракції

1; 063; 04 3; 04; 0315

4; 0315; 02 15; 02; 016

6

шився в ситі, зо зерновий скайбільша сум

зернового анна; 3-електро ен основноїв на групи(та

вальних піскі

изначається сайбільші заливерхньому крзалишок на нрії Б. Піски к

Пісок

Мілкий Дуже мілкий Тонкий Пиловид-

ний

зважується і клад даного пма залишків н

налізу піску:одвигун.

ї фракції ваблиця8.3).

в

середнім номишки (основрайньому ситнижньому кракатегорії А м

Група Номеситзализерн

ф016 01

0063 005

02016

01;0063

по піску. на 3-х

встановлений

Таблиця 8.3

мером сита ізвна фракція).ті більше, тоайньому ситімають більш

ер суміжних т, на яких ишаються на основної фракції 2; 016; 01 6; 01;0063

0063; 005

3; 005,тазік

й

з . о і ш

147

В марці формувального піску на першому місці вказують клас, до якого відносять пісок по вмісту глини (див таб.8.1) потім група, яка вказує зерновий склад, і в кінці – категорія. Наприклад ЗК02А – кварцовий, зерновий склад 02(номер середнього сита основної фракції), А-категорія: ПО16А- пісний пісок, сито 016, А – категорія:ПО16А- пісний пісок, сито 016, А – категорія.

В ливарному виробництві застосовуються також піски з розосередженим зерновим складом. Ці піски утворюють основну фракцію на чотирьох – п’яти суміжних ситах. Вони міцніші за піски, які мають концентровану зернову структуру, менш осипаються, менш тріскаються під дією високої температури, тому виливки отримають більш чистими. Недолік цих пісків – низька газопроникливість.

Розосередженні піски позначаються: КРК – кварцовий, розосереджений, крупнозернистий (сумарний залишок

на ситах 04,0315,02 - не менше 60%); КРС – кварцовий, розосереджений, середньозернистий (сумарний

залишок на ситах 0315,02 - 016 не менше 60%); КРМ - кварцовий, розосереджений, мілкозернистий (сумарний залишок на

ситах 02,016,01 не - менше 60%). Якщо пісок має в основній фракції менше 60% зерен, то це пісок

загальною розосередженістю, його позначають КРО. Ці піски мають низьку газопроникливість, зерна можуть бути заокругленими або кутоватими. Перші піски мають більшу щільність.

Формувальні піски поставляють із кар’єрів і в характеристиці цих пісків вказують зерновий і мінералогічний склад, газопроникливість, вміст глини, міцність при стиснені в вологому стані.

Четверте випробування формувальної суміші – це визначення газо проникливості. Газопроникливість залежить від величини зерна суміші, від вмісту в ній глини, вологи і її щільності. При збільшені щільності суміші газопроникливість зменшується.

На газопроникливість випробують формувальні піски і готові суміші. При цьому через них пропускають повітря і по тиску, яке створюється перед зразком судять про газопроникливість.

Для випробування суміші на газопроникливість виготовляють стандартні зразки діаметром d=50мм, і висотою h=50мм, при стандартному ущільненні. Для виготовлення такого зразка використовують напівавтоматичний лабораторний копер (рис 8.17).

Наважку, приготовлену для випробування суміші, насипають в гільзу (рис.8.18а), в яку вставляють вкладене дно, після чого переносять її на копер для ущільнення. Зразки для досліджень можуть бути і плоскі, які мають форму вісімки з поперечним перерізом в звуженому місці 25x25мм (рис 8.18б).

обеупочер

1-бойок; 2

Рис.8.18а)- насипан

Обертаючи ертанні ручкор, який закррез стержень

Рис2-стержень; 3

ван

8. Пристрій дння наважки

ручку ексценки вантаж зісріплений на с 2 і бойок 1 с

148

с. 8.17. Лабор3-ексцентрикнтаж; 7-ручка

для виготовлев гільзу; б)-

нтрика 3, підскакує з ексцстержні 2. Таксуміші, яка з

8

раторний копк; 4-контрольа; 8-станина.

ення на копрінасипання на днімаємо ванцентрика і, паким чином, унаходиться в

пер: ьна шкала; 5-с

і контрольнихаважки в пло

нтаж 6. При адаючи, вдарудар вантажув гільзі і ущіл

стрілка; 6-

х зразків оску форму.

подальшомуряє в нижнійу передаєтьсяльнює її. Для

у й я я

конуда7. Г

де плочас

отр

газ

гумеле1. зна7, н

нтролю висоару) служатьГільза з суміщ

V=2000см3 –оща поперечс проходженнЗначення v,римаємо:

K

Гільзу з ущзопроникност

Рис. 8.19. С

Перед дослмовому коркектромагнітнПід час опаходиться піднаповненого

оти стовпчикь контрольна щу розмішенГазопрони

– об’єм повітчного перерізня повітря, хв, h і t є по

(K635.19

2000 ⋅=

щільненим зрті (рис 8.19).

Схема досліда)- перед до

лідженням (рку або за дного), відкривпускання цид ним через тводою (водя

149

ка суміші, в шкала 4 і ст

на на станині икливість визн

(K =

тря, який прзу зразка; h=5в.; p – тиск пстійними, то

) ptpt5.509

550

=

разком встано

дження формуослідженням;

рис 8.19,а) гдопомогою свають трьоххиліндра (риструбку 2 з отяний затвор),

9

гільзі після трілка 5. Вант8. начається за

( )FptVh

,

роходить чер5см – висотаовітря перед ому коли під

хвсм5

або

овлюють на

увальної сум; б)- під час д

гільзу з рамспеціальногоходовий кран. 8.19,б) вінтворами, яка , і переганяє

набивки (тртаж піднімає

формулою:

ез зразок; F=а стандартногзразком, Па.дставимо їх

секм

pt084,0

пристрої для

міші на газопрдослідження.

мкою 5 закро затвора (рн 4 і підніман витісняє входить в трйого через зр

рьохкратногоється ручкою

=19,635см2 –го зразка; t – у формулу,

к

я визначення

роникність:

ріплюють натутного абоають циліндрповітря, щорубку 3 бакуразок суміші

о ю

– –

,

я

а о р о у і

150

5 в гільзі. Під циліндром набирається 2000см3 повітря (нижня позначка на циліндрі співпадає з краєм бака). Під час перегонки повітря через зразок циліндр під дією власної ваги опускається. Маса циліндра повинна бути така, щоб при закритому крані надлишковий тиск складав 0,49 кПа. Для створення тиску 0,98 кПа на циліндр поміщають спеціальний груз. Такий тиск необхідний при дослідженні мілко зернистої суміші або при прискоренному дослідженні. Циліндр 1 опускається до тих пір, поки верхня позначка на циліндрі не співпаде з краєм бака (рис.8.19,б).

Це означає, що із циліндра витіснено і пройшло через зразок 2000см3 повітря. Час, на протязі якого 2000см3 повітря проходив через зразок, відмічають по секундоміру, а тиск, який при цьому створюється перед зразком, заміряється водяним манометром 6. Результати досліджень підставляють в наведену вище формулу.

Для прискореного визначення газопроникливості між трьохходовим краном і зразком встановлюється ніпель з точним каліброваним отвором. При дослідженні великозернистих сумішей, які мають велику газопроникливість, ставлять ніпель з отвором d=1,5мм; при дослідженні мілкозернистих сумішей з меншою газопроникливістю ставлять ніпель з отвором d=0,5мм. Через ніпель, який має отвір d=1,5мм, 2000см3 повітря повинно перейти за 0,5 хв., а через ніпель з отвором в 0,5мм – на протязі 4,5хв. В такому випадку проводять підрахунок тиску перед зразком (водяним манометром), а потім з допомогою таблиці знаходять газопроникливість.

П’яте випробування формувальної суміші – це визначення міцності. В залежності від призначення формувальних і стержневих сумішей до них ставлять певні вимоги по міцності. Найбільш поширеним способом визначення міцності є стиснення вогких зразків. Випробуванню на стиск піддають циліндричні зразки, які були випробувані на газопроникливість.

Після дослідження на газопроникливість зразок виштовхують із гільзи за допомогою дерев’яного вкладиша і розміщують на приладі для дослідження на міцність при стисканні (рис.8.20). Зразок 4 встановлюється на предметний столик 5, при цьому рукоять 7 знаходиться в горизонтальному положенні. При цьому повітря через чотирьохходовий кран 8 по трубці 6 поступає в верхню порожнину циліндра і столик 5 опускається. При дослідженні поворотом крана 8 повітря впускають по трубці 9 в нижню порожнину циліндра 1. Столик з зразком підіймається, і тиск через зразок передається на верхню площину 3, яка стискає пружину 2 і індикатор обертає стрілку до граничного навантаження.

При руйнуванні зразка пружина динамометра автоматично вивільняється і основна стрілка вертається до цифри „0”, а контрольна вказує на циферблаті міцність при стисненні. Межа міцності при стисненні для мілких і середніх виливок повинна бути не більше 4,9 кПа.

151

Рис. 8.20.Прилад для визначення міцності суміші в вогкому зразку:

1- циліндр; 2-пружина; 3-верхня площина; 4-зразок; 5-предметний столик; 6,9-трубка; 7-рукоять; 8-кран.

Підвищена міцність в вологому стані при стисненні вказує на надлишок в суміші глини, і відповідно, на низьку газопроникливість.

Другим способом дослідження зразків на міцність є випробування на розрив сухих зразків. На розрив досліджують зразки, які мають форму вісімки (рис.8.18,б). Ущільнення їх проводиться за трьома ударами нормального лабораторного копра в окремій металічній роз’ємній формі, в яку входить відповідний фігурний бойок. Суміші досліджують також на згин, зріз. Для цього існують спеціальні прилади, за допомогою яких можна проводити комплексне дослідження на міцність при стисканні, розтягуванні, згині і зрізу в вологому і сухому стані.

В цехових лабораторіях суміші досліджують на поверхневу міцність і здатність до осипання. Для цього зразок закладають в сітчатий барабан 4 приладу (рис.8.21).

Барабан 4 обертається валом 3, який закріплений на станині 1. Обертання надається електродвигуном 2. Барабан обертається з частотою 60 об/хв. на протязі 1 хв. Поверхнева міцність виражається втратою маси зразка в відсотках (яка збирається в лотку 5) по відношенню до початкової маси.

Шосте випробування формувальної суміші – це визначення вогнетривкості. Вогнетривкість визначається температурою розм’якшення або оплавлення і температурою відшлаковування або спікання зерен. Формувальні суміші досліджують на вогнетривкість так як і всі вогнетривкі матетеріали.

нетвилмежнихЗниобрвид

верпорвідзатОхмет

Рис. 81-стани

9.1. Відцен9.2. Лиття 9.3. Лиття 9.4. Лиття 9.5. Лиття Виливки

точність розмливок допустжах від +0,2х передбачеиження ваги робку в ливдів лиття.

Відцентрртикальної, рожнину фордкидається дтвердіння утхолодження італевої форм

8.21 Прилад дина; 2-електр

нтрове лиття.під тиском. за виплавленв оболонковів металеві ф

и, які отримамірів і низьктимі відхиле

2...+20мм. Тоені значні пзаготовок, парному виро

рове лиття –горизонтальнрми під дієюдо стінок, ртворюються і кристалізацми (виливниц

152

для визначеннродвигун; 3-в

Спеціальні

.

ними моделямі (коркові) фоорми (кокілі)

ані в пісчано ку чистоту пення за розмому ці виливкпо величиніпідвищення їобництві дос

9.1. Відцент

– це лиття ної або похю відцентроворозтікається виливки, я

ція металу поці) і закінчує

2

ня поверхневал; 4-сітчасти

і види лиття

ми. орми. ).

– глинистниповерхні. В зміром і класуки механічно припуски їх точності і сягається зас

трове лиття в форми, яхилої осей. ої сили. Метапо них і

які мають очинається вється на внут

вої міцності сий барабан; 5

я.

их формах мзалежності ву точності зно обробляютна механічнзменшення пстосуванням

я

які обертаютРідкий метаал який залиткристалізуєформу тіл

від стінок тептрішній вільн

суміші: 5-лоток.

мають значнувід величининаходяться вь і тому дляну обробку.припусків наспеціальних

ться навколоал заповнюєтий у формується. Післяобертання.

плопровідноїній поверхні

у и в я а х

о є у я . ї і

вилвілбіліз внупотзовфофуфуПр

схепох

цилвілнемвикзап

зал

А

ливки. Такальних від немльш важким мприпуском утрішню повтрібно стержвнішній контрму (виточкиутеровані пісчутеровки викори литті можу

Можливіемі вісь оберхилою.

Перша ліндричні вильна поверхнмає вільної користовуютповнення вуз

Вибір розм

лежить від сп

А – горизонтаII – вісь вил

а направленаметалевих вкметалом по впри механічверхню назнажнів для отртур деталі. Ки, пояски точано-глинистонується форуть бути засті три схеми ртання може

схема найбиливки без заня під дією в

поверхні ть для підвьких порожн

міщення осіпіввідношенн

Рис.альною віссюливок співпа

суміщ

153

а кристалізаключень (шлавнутрішній пчній обробціачається більшимання полиКоли внутрішощо) застосовтою або пісчармуванням посовані піщавідцентровобути горизон

ільш поширастосування свідцентрової застосовуютвищення щнин в формах

і обертання ня розмірів ви

. 9.1. Схеми вю обертання; Бадає з віссю ощені з віссю о

3

ація забезпечаків, окислівповерхні вилиі, для чого шим, чим на их виливок, шня поверхнвують металано – смолянпо моделі абоані стержні. го лиття (ринтальною (А

рена. За цістержнів; отвсили. Другу ть рідше, кщільності ви

.

(вертикальнисоти і діаме

відцентровогБ – вертикалобертання машобертання ма

чує отриман, газів), які вивки і видаляприпуск на зовнішню. Пформа відтвня виливки еві форми, яною сумішшюо накатуванн

ис. 9.1). При А), вертикаль

єю схемою вори в виливі третю схемколи відцениливок чи

ний чи гориетра виливок

о лиття: ьною віссю ошин; III – вісшин.

ння виливоквитісняютьсяяються разомобробку на

При цьому неворює тількимає складнуякі всерединію. Нанесенняням роликом.

будь – якійною (Б), або

отримуютьвках утворюєми, при якійнтрові силипокращення

изонтальний)і як правило

обертання; I ісь виливок

к я м а е и у і я .

й о

ь є й и я

) о

і

154

проводять розрахунковим шляхом. Деталі, які мають висоту в декілька разів більшу діаметра (втулки, гільзи, труби тощо), відливають на машинах з горизонтальною віссю обертання. Виливки великого діаметра і малої висоти отримають на машинах з вертикальною віссю обертання.

Машину з горизонтальною віссю обертання застосовують двох типів. Шпиндельні (коли змінна чавунна або стальна форма кріпиться до кінця шпинделя, який обертається від електромотора) і роликові, коли форма отримує обертання від роликів, на яких вона встановлена. Машина першого типу використовується для виробництва невеликих коротких виливок, масою до 100 кг, а машини другого типу – для більш важких виливок. При цьому для виготовлення довгих труб застосовують довгі жолоби, які переміщуються в процесі лиття, що дозволяє рівномірно розприділити метал по довжині виливниці.

У відцентрових машинах з вертикальною віссю обертання на залитий у форму 1 метал діють дві сили – відцентрова і сила тяжіння. Це приводить до того, що внутрішня поверхня приймає вигляд параболи 2 (рис. 9.2), внаслідок чого верхня частина стінки виливки є більш тонша чим нижня. Ця умова обмежує застосування машини з вертикальною віссю обертання. Їх застосовують переважно для виготовлення виливок, діаметр яких значно більший висоти.

Машини з вертикальною і похилою віссю обертання застосовують коли необхідна підвищена щільність виливок або необхідно заповнити вузькі порожнини у формі. Похила – використовується для зручності заливання металу при виготовленні виливок великої маси.

Послідовність виготовлення виливок на відцентрових машинах включає слідуючі операції:

Рис. 9.2. Форма виливки при литті на відцентрових машинах з вертикальною віссю: 1-металева форма; 2-розплавлений метал; 3-тигель

155

1. Підготовка форми до заливання металом (покриття фарбою, підігрів і збирання). Для регулювання теплового режиму на робочу поверхню виливниці після попереднього підігріву (до 200 0С) наносять шар вогнетривкого покриття або хімічно активного покриття (феросиліцій, графіт, алюмінієвий порошок) з метою покрашення властивостей поверхневого шару виливки;

2. Пуск машини (включення електродвигуна); 3. Заливання рідкого металу у форму, яка обертається з оптимальним

числом обертів (заливання виконується мірним ківшем); 4. Зупинка машини (після повного затвердіння металу); 5. Розкриття форми (після зупинки машини); 6. Видалення із форми виливки (автоматичним виштовхувачем або

вручну за допомогою розвідних кліщів); 7. Зачистка отриманих виливок. Температура рідкого металу, який заливається у форму повинен бути на

100...150 0С вище температури плавлення. Відцентровий спосіб лиття має ряд суттєвих особливостей. Розплав, який

розподілився під дією відцентрових сил у вигляді полого циліндра (схема I з горизонтальною віссю рис.9.1), охолоджується з двох боків; з зовнішньої – 93...95% тепла віддає виливниці і з вільної поверхні (поверхні отвору) – 3...5% тепла випромінює у повітря. В середніх шарах метал залишається найбільш гарячим і значить, має меншу щільність.

Частинки розплаву, які охололи на вільній поверхні, як більш щільніші (більш важкі), направляються під дією відцентрових сил в радіальному напрямку до стінок виливниці і перемішуються в більш гарячому і легкому розплаві. Гарячий розплав витісняється на вільну поверхню частинками, які тонуть, і які можуть бути рідкими, але більш холодними.

Таким чином, при затвердіванні розплаву в формі, яка обертається, на радіальному напрямку безперервно проходить конвекція. Вільна поверхня збагачується гарячим розплавом, що запобігає затвердінню його на цій поверхні. Вільна поверхня до останнього моменту затвердіння залишається рідкою і живить виливок. Частинки, які стали важчими у полі відцентрових сил – друга найхарактерніша особливість відцентрового способу лиття, яка обумовлює отримання щільних виливок. Частинка розплаву, яка стала важчою у десятки разів, переміщується до фронту кристалізації і живить міжкристалічні пустоти, які безперервно утворюються при твердінні. При відцентровому литті вільна поверхня твердіє останньою, завдяки чому неметалеві і газові включення, як найбільш легкі, виносяться на внутрішню вільну поверхню. Виливки отримуються з меншою кількістю неметалевих включень.

Викладені уявлення про процеси, які проходять при кристалізації виливки у формі, яка обертається справедливі для більшості сплавів. Але, відцентрові сили можуть інколи виконувати від’ємні дії (наприклад,

156

заевтектичний силумін, який включає більше 12% кремнію). На початку твердіння такого сплаву виділяються кристали чистого кремнію, який легший алюмінію, і вони відцентровою силою відтісняються до вільної поверхні виливки. На ній, на відміну від загального правила утворюється тверда кірка. До кінця твердіння у середніх шарах будуть усадочні порожнини, а вільна поверхня збагачена кремнієм.

Для отримання якісних виливок необхідно знати оптимальну частоту обертання виливниці. Величина відцентрової сили залежить від числа обертів форми, маси розплаву, радіуса тіла обертання (виливки):

r2mwP = , де m – маса розплаву; r – радіус тіла обертання; w – кутова швидкість.

Кутова швидкість зв’язана з частотою обертання.

30nw π= ,

де n – число обертів форми. Невелика швидкість обертання форми не забезпечує хорошої якості

виливки з геометрично правильною вільною поверхнею, а висока швидкість приводить до утворення ряду дефектів в виливках (тріщини на зовнішній поверхні, ліквації тощо).

На частину розплаву, яка обертається діють дві сили: сила земного тяжіння – гравітаційна і відцентрова.

Найменше допустиме число обертів n, при якому вільна поверхня утворює циліндр з гладкою поверхнею і немає „дощування” (відриву капель розплаву від „стелі” і їх падіння) визначають із умови коли відцентрова сила повинна бути більша сили тяжіння.

Частоту обертання форми визначають в залежності від розмірів виливки і типу сплаву, із якого її відливають, від положення осі обертання. При цьому найменше допустиме число обертів n визначається в об/хв.

01 30

knrgπ

= ,

k1 – коефіцієнт надійності, який дорівнює 1,5...2; r0 – внутрішній радіус виливки; g=9,8 м/с2 – прискорення земного тяжіння.

Величина відношення відцентрової сили mw2r до сили земного тяжіння mg отримала назву гравітаційного коефіцієнта k, який показує в скільки разів відцентрова сила більша сили тяжіння (звично k=30...50).

Якщо умовно застосувати „тяжність” до частинки, яка знаходиться під дією відцентрової сили, то в полі відцентрових сил ця частинка в десятки разів важча, ніж у полі земного тяжіння.

Розрахунок числа обертів горизонтальної циліндричної виливниці вираховується за формулою Л.С. Константінова:

157

01

5520nrρ

= ,

де ρ1 – щільність розплаву; r0 – радіус вільної поверхні (внутрішній радіус) виливка.

Відцентровий спосіб лиття застосовують і для виготовлення мілких фасонних виливок, які не є тілами обертання. В цьому випадку форми з стержнями або без стержнів симетрично розміщують навколо центрального канала (горизонтального або вертикального і з’єднуються з ними живильниками; вид III рис. 9.1). При обертанні цієї установки метал який заливається в центральний ливник відкидається в периферійні форми і заповнює їх під тиском відцентрової сили. Такий метод відцентрового лиття, коли вісь обертання форми не співпадає з геометричною віссю деталей які відливаються називається центрифугіруванням.

Відцентрований спосіб лиття має ряд суттєвих переваг. Отримані виливки вільні від усадкових і газових раковин, чисті від шлаку, окислів та інших неметалевих включень, так як під дією відцентрової сили створюється тиск і проходить сепарація – витіснення легких неметалевих частинок до внутрішньої поверхні. Відсутність стержнів і робіт, які зв’язані з їх виготовленням значно підвищують продуктивність відцентрових машин. Відцентрове лиття не обмежується ні родом сплаву (цим методом можна відливати деталі із чавуна, сталі і кольорових металів), ні матеріалом форми (заливання може виконуватися в металеві і пісчані форми, сухі і сирі).

Відцентровим литтям отримують: тонкостінні чавунні труби (каналізаційні, водопровідні, газовідвідні, нафтоперегонні); стальні стволи гармат, стальні та кольорові гільзи, які використовуються для подальшого прокатування в суцільно тягнуті труби; втулки, обечайки для поршневих кілець, вінці, зубчасті колеса, гайки, кільця тощо; полі виливки масою до 50т, із яких виготовляють барабани котлів високого тиску; виливки з двохшаровими (біметалевими) стінками із різних металів. В цьому випадку сплави приготовляють в різних печах і потім заливають в одну і туж форму в певній послідовності один за другим через певний проміжок часу; валки для прокатування із білого і сірого чавуна, валки із нержавіючої сталі, підшипникові втулки, труби із вуглецевої і нержавіючої сталі; втулки і вінця із антифрикційних сплавів.

Точність виливок досягає 12...14 квалітетів, шорсткість поверхні Ra= 12.5...1.6мкм.

Таким чином відцентрове лиття має слідуючи переваги: 1. Цей вид лиття добре піддається механізації і автоматизації,

забезпечує виготовлення виливок масою від декількох грамів до декількох тон;

2. Розплав добре заповнює форму;

158

3. Виливки мають підвищену щільність за рахунок зменшення пор, раковин та інших дефектів;

4. Виливки мають високі механічні властивості; 5. Можливість отримувати виливки з двох або декількох металів, які

розміщуються шарами. До недоліків цього виду лиття слід віднести: 1. Виливка повинна мати вісь обертання (неможливість лиття складної

конструкції); 2. Забруднення внутрішньої поверхні виливок неметалевими

включеннями; 3. Отримання нерівної внутрішньої поверхні виливок; 4. Введення для внутрішньої поверхні зрівняно великих припусків на

механічну обробку.

9.2. Лиття під тиском

Суть лиття під тиском заключається в тому, що рідкий або напіврідкий метал подається в форму під тиском до 300 МПа. Форми і стержні виготовляють із легованих сталей. Цей спосіб найбільш продуктивний при виготовленні відносно невеликих виливок із кольорових сплавів з високою точністю за розмірами і чистотою поверхні. Розплавлений сплав швидко заповнює пресформу, твердіє і утворює виливку. Потім пресформа розкривається і готова виливка видаляється виштовхувачем. Для отриманих виливок механічна обробка незначна, або зовсім не потрібна. Литтям під тиском відливають деталі розмірами до 300мм, при цьому в пресформу подається до 2л металу. Виливки отримують з різьбою, отворами, тонкими стінками.

Сплав в виливках має мілкозернисту структуру внаслідок швидкого охолодження в стальній формі, тому міцність цих виливок деталей завжди вища міцності деталей, які отримані в пісчаних формах.

Найбільш поширені кольорові метали для цього виду лиття – це метали на основі міді, алюмінію, цинку, магнію, свинцю і олова.

Тиск створюють спеціальні машини, які діляться на дві основні групи: поршневі і компресорні. В свою чергу поршневі поділяються на: поршневі з холодною горизонтальною камерою пресування, поршневі з холодною вертикальною камерою пресування, поршневі з гарячою камерою пресування.

В поршневих машинах з холодною горизонтальною камерою пресування (рис.9.3.) пресформа складається з рухомої і нерухомої частини, які відповідно закріплені на рухомій 3 і нерухомій 5 плитах машини або спеціальними скобами. Для подачі розплаву в форму служить заливочний стакан 6, пресуючий поршень 7, який приводиться в рух гідроциліндром 8.

Рухрух

пр4

залзалалюзма

вклзалмехвитвиткрістепервиш

до

рідзріпро

хому напівфх гідроцилінд

Рис.9.3ресування: 1,84-рухома нап

Перед залиливочного стлежить від сюмінієвого –ащується спеПослідовні

лючає чотирливається в пханізм запретісняє розплтримується віпиться в нерержнем 5. Нареміщення рштовхується Тиск порш

45 кг. Перші дві-тВ машинах

дкий метал іівнянню з маодуктивність

форму 4 передром 1 до з”є

. Поршнева м8-гідроциліндпівформа; 5-н

ивкою розплтакана і пресусплаву, який– 160....1800Сеціальними змість отриманри етапи. Напресовий стаесовки і порлав через рв формі декрухомій плита третьому ерухомої напштовхачаминя на рідкий

три виливки х з горизинталі менший йоашинами з веь і простіші в

159

еміщує запірнєднання з нер

машина з холдр; 2-запірнинерухома плипресуючий

лавленого меуючого поршй заливаєтьсяС, для латумащувальнимння виливока першому еакан 2. На дрршень 1, якиробочу порокілька секунті 7. Поверхнетапі (рис.9.4півформи 4.и 10 при взаємй метал склад

переплавляюльною камерого гідравлічертикальноюобслуговува

9

ний механізмрухомою поло

лодною гориий механізм; ита машини; 6поршень.

еталу проходшня. Темперая: для цинкоуні 200...2200

ми матеріаламк наведено етапі (рис.9.ругому етапі ий рухаєтьсяожнину 3 внд до затверня виливки ф4, в) форма р На четвермодії з упоромдає від 40 до

ють тому, щорою пресуванчний тиск прю камерою. Цанні.

м 2, який провинкою пре

изонтальною 3-рухома пли6-заливочний

дить підігрів атура нагрівуового сплаву0С. Підігрітами. на рисунку .4, а) розпла(рис.9.4, б)

я в пресовомв порожнинрдіння. Пресформується мрозкриваєтьсяртому етапі м 11. 200 Мпа, ма

вони мають дння менше охри заповненнЦі машини м

риводиться весформи.

камерою ита машини; й стакан; 7-

пресформи,у пресформиу 2000С, дляа пресформа

9.4 і вонаав ківшем 8включаєтьсяму стакані 2ну форми іовий стаканматрицею 6 ія за рахуноквиливка 9

са виливок –

дефекти. холоджуєтьсяні форми поають більшу

в

, и я а

а 8 я 2 і н і к 9

–

я о у

Рис.9.4.холодною к

Рис.9вертикально

б-р

5 а

в

. Послідовніскамерою прес

в-розкритт

9.5. Послідовою камерою пробочий хід п

8

7 6

23

а)

в)

160

сть процесу лсування: а-залтя форми; г-в

вність процеспресування: апресуючого п

11 2

1 2

0

лиття під тискливання розпвиштовхуван

су лиття під та-заливання рпоршня; в-вид

4

1б)

г)

ком з горизонплаву; б-запреня виливки.

тиском з холорозплавленогдалення вили

9 0

)

нтальною есування;

одною го металу; ивки.

161

В поршневих машинах з холодною вертикальною камерою пресування (рис. 9.5, а) при заливанні дози розплавленого металу в камеру стиснення 2 нижній поршень (п’ята) 6 перекриває ливниковий канал 5 пресформи. Пресформа складається з лівої 3 і правої 4 частинок. При робочому ході пресуючого поршня 1 (рис.9.5,б) п’ята опускається вниз, відкриває ливниковий канал і метал запресовується в пресформу. Потім пресуючий поршень і п’ята переміщуються вверх (рис.9.5в), при цьому п’ята відрізає від ливника залишок металу 7 і видаляє його із камери пресування. Одночасно з цим пресформа розкривається і виливка видаляється. Пресуючий поршень і п’ята повертається в вихідне положення.

В машинах з холодною камерою пресування виливають сталь, латунь, алюмінієві , магнієві та інші кольорові сплави.

В поршневих машинах з гарячою камерою стиснення (рис.9.6.) метал в пресформу 7 подається під тиском поршня 2 через мундштук 1.

Рис. 9.6. Поршнева машина з гарячою камерою пресування:

1-мундштук; 2-поршень; 3-тигель; 4-отвір через який поступає метал; 5-циліндр; 6-пальник; 7-пресформа; 8-штовхачі для видалення виливки.

Розплавлений метал заливають в тигель 3, який підігрівається за допомогою пальника 6. В циліндр 5 метал поступає через отвір 4. При русі поршня 2 вниз він перекриває цей отвір і сплав під тиском заповнює пресформу 7. Після затвердіння виливки поршень повертається в вихідне положення, надлишки металу із каналу зливаються в камеру пресування. Виливка видаляється із пресформи штовхачами 8. Величина тиску при литті знаходиться в межах від 10...30 МПа і такі машини застосовують для лиття із

свисплтигзапдекреж

свивикрознизконзап(ри

стив вмуприподметгуз

инцево-сурм’лавів з невисгля і камериповненні прескількох гражимі становиКомпресор

инцево-сурм”конується стзділити на зького тискунструкції машповнює його ис.9.7, б).

Рис. 9.7. Са-положен

У відкритіиснення – гузванну для зунштуком 6 итиснутий додачі стиснуттал під тискознека випускаНа рис. 9.8

’янистих, олокою темпери пресуваннясформи на таамів до 30 кить до 3000 вині машини з”янистих і тисненим помашини з гу. На рис.9.7шини з камер(рис.9.7, а) і

Схема будовиння коли мета

витиска

ій ванні 1 знек 2, який заповнення мв ливник фоо ливника фотого повітря ом повітря вається, формнаведена схе

162

лов”яних , цратурою плавя. Завдяки маких машинахкг, при цьомиливок на гозастосовуютьолов”яних

овітрям або гузнеком, ма7 наведена срою стисненні коли метал

и і роботи коал заповнює ається в мета

з рідким мза допомогоюметалом, а порми 5. В цорми, хвосто3, який привитісняється а розкриваєтема компресо

2

цинкових, мвлення і маломалому охолх можна отриму продуктидину. ь для лиття сплавів, в інертним гаашини невисхема однієїня (гузнеком)л витискаєтьс

мпресорної мгузнек; б-полалеву пресфо

еталом знахю системи рипотім піднімцей момент ова частина йи цьому автоіз гузнека в ться і виймаєторного лиття

магнієвих і оагресивних длодженню симувати детаивність в авт

алюмінієвихяких тиск

азом. Ці машсокого тискуї із найбільш) в положеннся в металеву

машини з гузложення колирму.

ходиться рухичагів 4 можемається і вхколи мундшйого впираєтоматично відформу. Потіться виливкапід невелики

алюмінієвихдо матеріалівплавів приалі масою відтоматичному

х, цинкових,к на металшини можнау і машиниш поширеноїні коли металу пресформу

знеком: и метал

хома камерае опускатисяходить своїмштук гузнекаься в клапандкривається іім повітря із. им тиском.

х в и д у

, л а и ї л у

а я м а н і з

2 імугаз

0,1сис

1-

Рис.1-трубоп

Стиснене пі тисне на роундштук 4 в пзу припиняєтНа рис. 9.9

1 Мпа) Цей сстеми, покращ

Рис. -піч; 2-тигель

.9.8. Схема копровід; 2-тиге

повітря або інозплав металпресформу 5.ться, форма р9 наведена схпосіб дозволщити заповню

9.9. Схема коь; 3-кришка;

163

омпресорногель; 3-метало

нертний газ плу, який вит. Після охолоозкриваєтьсяхема компресляє значно змюваність фор

омпресорного4-канал по якформа; 6-ст

3

го лиття під нопровід; 4-му

подається по тискається поодження подая і виймаєтьсясорного литтяменшити витррми і підвищ

о литтяпід никому підійматержень.

невеликим тиундштук; 5-пр

трубопроводо металопровача повітря ая виливка. я під низькимрати металу нити щільніст

изьким тискоається метал;

иском: ресформа.

ду 1 в тигельводу 3 черезабо інертного

м тиском (дона ливниковіть виливок.

ом: 5-металема

ь з о

о і

164

По цій схемі можна заливати звичайні пісчано-глинисті форми, комбіновані форми (металеві з пісчаним стержнем), кокілі.

Розплав металу із тигля 2 печі 1 під тиском повітря або газу піднімається по каналу 4 в металеву форму 5, яка закріплена на кришці 3 печі. Внутрішня поверхня виливки формується стержнем 6. Після твердіння і охолодження виливки подача повітря або інертного газу припиняється (повітря або газ із установки випускається в атмосферу). Залишки розплаву металу зливаються в тигель.

Лиття під тиском має своє суттєві переваги над іншими видами лиття. Тиск, який витісняє метал у пресформу збільшує рідкотекучість металу, при цьому краще заповнюється форма, виливка досить точно відтворює всі контури форми (в деяких випадках обробка різанням заготовки непотрібна, або зводиться до мінімума).Також перевагою лиття під тиском є висока якість поверхні виливки, значна економія сплавів, зниження трудоємкості і собівартості виливок.

Лиття під тиском має і недоліки. Тому що розплав металу дуже швидко (долі секунди) заповнює пресформу, то при цьому швидко закупорюються вентиляційні канали і з їх порожнини неповністю виділяється повітря і гази, які утворилися від випаровування і згоряння змащувального матеріалу. При цьому в виливках з’являється газова пористість.

Тонкі по перерізу ливники затвердівають раніше виливки і живлення розплавом зупиняється до завершення усадки. При цьому усадка проявляється в збільшенні об”єму газових пор. Тому виливки мають специфічний дефект – газоусадкову пористість, що приводить до пониження щільності виливок і пониження пластичності.

Як правило виливки не піддають термічній обробці тому, що при нагріванні внаслідок розширення газових пор поверхня металу може вспучуватись.

Обладнанння для лиття під тиском має досить високу вартість, що зумовлює застосування цього способу тільки для великих серій виливок.

Литтям під тиском можна отримувати виливки тільки із легкоплавких сплавів (алюмінієвих, магнієвих, цинкових і латунних) масою до 50 кг.

Найбільш економічно вигідним є лиття під тиском в масовому виробництві складних фасонних тонкостінних виливок із кольорових сплавів - деталей приладів, автомобілів, тракторів, літаків тощо.

9.3. Лиття за виплавленими моделями

Суть лиття за виплавленими моделями заключається в тому, що моделі

виготовляють із легкоплавких матеріалів шляхом запресовки їх в точні металеві пресформи. Отримані моделі є точною копією майбутніх виливок. На поверхню моделей наносять тонкі вогнетривкі оболонки з яких виплавляють модель. Після сушки і відпалу оболонок їх встановлюють в

165

спеціальні опоки і обсипають піском і заливають металом. Після охолодження виливки виймають із опок, очищають від керамічних оболонок, звільнюють від ливників і зачищають.

У виробництві використовують легкоплавкі моделі складу типу ПС (50% парафіну і 50% стеаріну). Формувальними матеріалами для оболонкових форм служить суспензія і пісок. Суспензія – це рідкий зв”язник (типу гідролізованого розчину етилсилікату, рідкого скла тощо) і вогнетривкого наповнювача, яким може бути пиловидний кварц, корунд, магнезит тощо. Для обсипки першого шару, який наноситься на модель застосовують дрібнозернистий кварцевий пісок, наступний шар – більш крупніший. Крім кварцевого піску для обсипки можна застосувати плавлений кварц, шамот, корунд тощо.

Пресформи відливають по еталону із легкоплавких сплавів, таких як свинцево-олов’янистих, свинцево-сурмистих, силумінових та інших сплавів. Пресформи також можуть бути отримані механічною обробкою стальних заготовок. Вони більш дорогі, але і більш довговічні і забезпечують більшу точність і чистоту моделей. Відповідно і виливки будуть мати більшу точність і чистоту поверхні. Складні пресформи мають стержні і від’ємні частини. Пресформи можуть бути одногніздові, які виготовляються із гіпса, дерева, пластмаси, із сплавів на основі свинцю, олова, цинку, алюмінію при малосерійному виробництві, і багатогніздові, які виготовляються із сталі і алюмінієвих сплавів, при серійному виробництві. Для масового виробництва пресформи також виготовляють із сталі. Пресформи виготовляють обробкою різанням або литтям з наступною доводкою. В більшості випадків конструкція пресформи отримується складна, яка складається із декількох частин з”єднаних між собою. Для видалення моделей із пресформи передбачені спеціальні виштовхувачі. Для стальних пресформ застосовується сталь 3 і сталь 45, також для виготовлення пресформ можуть застосовуватися епоксидні смоли ЕД 5, ЕМ 5 і гума. Матеріал для пресформ вибирають в залежності від необхідного числа моделей і прийнятої технології виготовлення пресформи, які виготовлені із сталі і витримують біля 100000 з”ємів моделей, із цинко-алюмінієво-мідних сплавів – до 50000.

В якості вихідних матеріалів модельного складу, який запресовують в пресформу використовують парафін, стеарін, церезин, буровугільний воск, торфяний бітум, жирні кислоти, озокеріт, каніфоль, полістірол тощо. Модельний склад подається в зібрану пресформу в рідкому, або пастоподібному стані вручну за допомогою шприца чи спеціальним пресом .

Модельний склад повинен мати спеціальні властивості: температуру плавлення 60...1000С; температури початку розмягчення вищу за температуру робочого приміщення і не нижче 35...450С; мінімальну і стабільну лінійну усадку, а також мінімальний об”єм і лінійне розширення; гарну рідкотекучість; міцність і твердість, які необхідні для збереження поверхні моделей від пошкоджень; мінімальну зольність і неприлипність до пресформ,

інспокзмовик

пар(50рек

якикомзапспімовипвод

го

струменту, рукриття; не вочуваність користання. Найбільш

рафіну, 50% 0% парафінкомендуєтьсяМодельний

ий підігрівампонентів. повнений водіраллю 3. В дельного склпускається чди використо

1-робочий отового модел

ук; хімічну інвиділяти шкіоблицюваль

широко засстеаріну), ПСну, 50% жя застосовувай склад вигоається гарячВ резервуардою, бічна пробочий баладу і випусчерез кран 6. овуються терм

Рис.9.10. Т

бак; 2-резервльного склад

для випуск

166

нертність по відливих паріьним скла

стосовують С 70-30 (70%жирних кислати для вигототовляють в чою водою рі 2 знаходповерхня і днк вмонтованску грязьовогДля контролмометри 7, щ

Термостат з ввуар; 3-електру; 5-кран дляку води; 7-те

6

відношенню ів при нагріадом; можл

модельні ск% парафіну, 30лот) тощо. товлення більспеціальнихі відбуваєтдиться робоно якого підні крани 4 і го залишку, лю температщо встановлен

водяним підірична спіраля випуску гряермометр; 8-к

до матеріалііванні і згорливість баг

клади: ПС 0% стеаріну)Перших

ьш точних мох термостататься розплавочий бак 1дігрівається е

5 для випусякий осів н

тури модельнні в кришці 8

грівом: ль; 4-кран дляязьового заликришка.

в пресформ ірянні; добругаторазового

50-50 (50%, ПЖК 50-50два складиоделей. ах (рис.9.10),влення всіх. Резервуарелектричноюску готовогона дно. Воданого складу і8 бака.

я випуску ишку; 6-кран

і у о

% 0 и

, х р ю о а і

йогмомо

ком

відагрна злипасвиг

лив

запвигзаппреповЗаппремовод

трів моднодипла

Для доведего повітрям дельний склделей. Технологіч

мпонентів, щВихідний м

д бруду, подррегату. Нагріпротязі 15..

ивають в чиста охолоджуготовлення мМодельна

вникової систМоделі де

пресування готовлення мпресування есформі, виверхню препресовуванняесів і шпридельної масидою. Після повн

іщин, повітрямодельні блонієї ливникиночному і астинкою до

Рис. 9.11. детал

ення модельнйого перем

лад поступає

чний процес що входять доматеріал для рібнюють, зваітий до 80...8..20 хв. для сту ємкість ується і при моделей. оснастка втеми, які об”еталей типу модельного моделей вклмодельного далення модесформи очия модельногоиців. Пресфои пресформу

ного охолоджяних раковиноки з загалькової системдрібносерійнстояка, який

Готова ль.

167

ного складу дмішують в мє в збірник,

приготуванно його складумодельного ажують у пев850С модельносідання брі перемішуютемпературі

включає мо”єднані в блоктіл обертаскладу в

лючає слідуюскладу, ох

делі. Підготищують відо складу виорми охолоду розкривают

ження моделі н, коробленняьним стоякомми і утворюному виробнй виготовлени

Рис. 9.12. Замодельного

пресфор

7

до пастоподімішалках на звідки пода

ня модельноу. складу перевних пропорцний склад перруду. Розплають до пастоі 42...450С її

делі виливкки. ання (рис.9.1

пресформиючі операції:холодження товка поляга модельногиконують за джують водть і модель

контролюютя, заусениць)м (декілька юють блок ництві моделий із модельн

пресовка складу в рми.

ібного стану протязі 30 ається для в

ого складу з

ед плавленняціях і завантаремішують і авлену масу оподібного спередають н

ки і модел

11) отримуюи (рис. 9.: підготовку модельного

ає в тому, о складу і допомогою ою і після виштовхуют

ть (вони не п). Потім модемоделей примоделей р

ль припаююної маси.

і насиченняхв. Готовийвиготовлення

залежить від

ям очищаютьажують в баквитримуютьфільтрують,стану. Потімна дільницю

лі елементів

ють шляхом12) Процеспресформи,

о складу вщо робочузмащують.спеціальнихзатвердіння

ть у ванну з

повинні матиелі збираютьиєднують дорис.9.13). Вють нагрітою

я й я

д

ь к ь , м ю

в

м с , в у . х я з

и ь о В ю

жикар

звинансушпотпісблоДлуст

етибутвід

кис

В умовах

ивильником іркасі. На рис

На отримичайно метонесення покшать (рис.9.1товщує і зміцскосипи чи оків. Сушка ля скороченнтановки, в якВогнетривк

илсилікату і ти досить мідношенню до

Основою г

слоти, який

Рис. 9.14вогнетривк

х масового і елементом . 9.13 показанмані блоки наодом зануренкриття блоки15). Присипкцнює оболонавтоматичні шару покритня тривалостких блоки підку оболонквогнетривкоіцною, газопо металу і лег

гідролізовановключає 28

4. Нанесення кого покритт

168

виробництвстояка в виний блок, якианосять вогнення в рідкийи присипаютка запобігає нку. Для обсиустановки

ття виконуєтьті операції здсихають за 2ку виготовлого пилоподпроникливоюгко руйнувати

ого розчину ...45% SiO2.

тя

8

ва моделі игляді кільцяий складаєтьсетривкі покрй розчин (рть відпаленистіканню фипки піском для обмазкиься на повітрастосовують

20хв в середоляють із гідібного напою, піддатливоися після затв

етилсилікатуДля надання

Рикв

виготовляютя, які потім зся із чотирьоиття по 2...3 рис.9.14). Пісим кварцевиарби, прискозастосовуюти і обсипкирі протягом 2ь спеціальні вищі аміаку (ідролізованоовнювача. Воою, хімічно вердіння вил

у є ефір ортя вяжучих в

Рис. 9.13моделей з з

стояк

ис. 9.15. Присварцевим піс

ть разом ззбирають наох моделей. або 5...6 разсля кожногоим піском іорює сушку,ть спеціальніи модельних2...2,5 годин.автоматичні

(NH3). го розчинуона повиннаінертною поивки.

токремнієвоївластивостей

3. Блок загальним ком.

сипка ком

з а

з о і , і х . і

у а о

ї й

169

технічний етилсилікат (C2H5O)4Si піддають гідролізу в середовищі розчинника і в присутності каталізатора. Гідроліз проводять в водному середовищі. Для розчинника етилсилікату в воді до нього і до води додають загальний розчинник. В якості розчинника використовують технічний ацетон, спирт або етиловий спирт С2Н5ОН. Каталізатором виступає хімічно чиста або технічна соляна кислота. Наповнювачем є штучний або природний пилоподібний кварц. Для вогнетривкого покриття застосовують пісок марок ПК-1,ПК-2, ПК-3.

Гідролізований розчин виготовлюють в спеціальних пристроях, які складаються із двох циліндричних резервуарів, розміщених один у другому. У внутрішньому резервуарі змішують етилсилікат і спирт. В зовнішньому- знаходиться вода для охолодження. Перемішування виконується мішалкою пропелерного типу. Після 1...2хв у внутрішній резервуар завантажують пилоподібний кварц і перемішують на протязі 3...5хв до розчинення, а потім заливають розчин соляної кислоти у воді. Перераховані вище компоненти перемішують на протязі однієї години, при цьому проходить реакція:

(C2H5O)4Si+4H2O → 4C2H5OH+H4SiO4 Утворена ортокремнієва кислота H4SiO4 розпадається з виділенням геля

2H2O·SiO2, який і є звязуючим матеріалом вогнетривкого покриття. Для отримання 1 кг розчину необхідно 600 г етилселікату, 300 г спирту і

100 г води, в якій знаходиться 0,3...0,7% соляної кислоти. Кількість пилоподібного кварцу (прожареного при 9000С) знаходиться в межах 70...75% по відношенню до маси розчину в залежності від конфігурації і розмірів моделей.

Виплавку модельного складу із оболонок проводять гарячою водою, паром або нагрітим повітрям. Частіше застосовують гарячу воду при температурі 80...850С (рис. 9.16). Пристрій для виплавлення моделей є бак з водою,який підігрівається. Модельні блоки занурюють у нагріту воду і витримують до повного виплавлення модельного складу,який спливає на поверхню ванни і періодично відводиться для нового використання. Повернення модельного складу при виплавленні його водою досягає 95...98%.

прогармоспеВ при

залвогфопіспрозапспл заквикповтем

відпер

1-

Повернотязі 30хв з рячої ванни дельного скеціальних сушпроцесі суши цьому підвБагатошаро

ливанням рогнетривким крм (рис.9.17сок кладуть ожарювання повнення конлавом, який вДоцільно закріплюється конують зразвинна бути мпература фоПісля зали

д маси вилиревертанні оп

Рис. 9.16. Ви-бак; 2-модел

нений модел40%-вим розїх промив

кладу, потім шильних шаки і наступнищується міцову тонкостозплавом розкварцевим п

7). Для більшшар глиниформи при

нфігурацій фвипускаєтьсяастосовувати на столі відзу після видане нижче

орми. вання формивки. Вибивапок.

170

иплавка моделльний склад;

ьний склад зчином HCl ають чистоюсушать на фах на протяного прожарюцність і газоптінну оболонзміщують в піском або вішої стійкості и. Потім кои 800...9000Сформ металоя безпосереднвідцентрове

дцентрової малення їх із п

7000С. Чи

и охолоджуюання охолодж

0

льного склад3-вода; 4-обо

відновлюют.Після виймаю водою дповітрі про

язі 1,5...2 годювання спирпроникність онкову формуметалевий

ідходами викоболонок п

онтейнер встС на протязом заливанняньо із електрое заливання машини (риспечей, при цьим складніш

ються на прожених форм

ду із оболоноколонкова фор

ть шляхом кання модельндля видаленнотягом 8...10д при темперрт і вода випоболонкових у для зміцнконтейнер користаних опісля формовтановлюють зі 2...3год. Дя виконуютьопечей. металу, кол.9.18). Заповьому темперша виливка,

тязі часу, яклегко вико

к: рма

кипятіння наних блоків ізня залишків год, або вратурі 2000С.паровуються,форм. нення переді засипаютьоболонковихвки на сухийв піч для

Для точногоь перегрітим

и контейнервнення форматура формитим вища

кий залежитьонується при

а з в в . ,

д ь х й я о м

р м и а

ь и

дровнувикПісвидгаззагопе

1

лит0,3

1-металевий

Очистку лиобоструйнихутрішніх порконується хісля такого трдаляють за дзових горілокгального стоерація - це за

Рис 9.18.1 -центральни

Лиття за вття. Він дозв

3 мм) виливки

Рис. 9.17й контейнер; 2

пісок; 4- т

иття від силікх установках, рожнин оболімічною оброравлення вилдопомогою нк і анодно – мояка можна ачистка місць

. Блок форм, ий ливник; 2-

виплавленимволяє отримуи масою від д

171

7. Заливка обо2-оболонковатигель з розп

катних оболопневматичнлонка видаляобкою в водливки промивножівок, дисмеханічної рвиконувати ь підводу жи

підготовлени-пісок; 3-конт

ми моделямиувати складндекількох гра

1

олонок розпла форма; 3-воплавленим ме

онок виконуюних вібратораяється важкодяному розчивають і сушакових пил, фрізки.Також на спеціа

ивильників.

ий до відценттейнер; 4-стіл

є одним з ні за конфігуамів до десят

лавом: огнетривкий еталом.

ють на піскосах. Але з отво. Тому кінцині лугів (Nать. Попередфрез, відрізнвідокремленнальних прес

трового заливл відцентрово

найбільш турацією і тонтків кілограмі

кварцевий

струйних абоорів і різнихцева очистка

NaOH, KOH).ньо ливникиних штампів,ня деталі відах. Остання

вання: ої машини.

точних видівнкостінні (доів практично

о х а . и , д я

в о о

172

із любих металів і сплавів. Точність виливок може досягати 9...10го квалітетів, а шорсткість поверхні Ra=25...1,6 мкм. Висока точність виливок обумовлена відсутністю роз’ємів в моделі і оболонковій формі, відсутністю стержнів і операцій механічного видалення моделі із форми.

Лиття за виплавленими моделями є високомеханізованим і автоматизованим процесом, який економічно вигідний для будь-якого із типів виробництв.

Недоліком лиття за виплавленими моделями є значна трудоємкість і складність технологічного процесу.

9.4 Лиття в оболонкові (коркові) форми.

Суть лиття в оболонкові (коркові) форми полягає в тому, що на металеву,

підігріту до 200...2500С нижню модельну плиту наносять тонкий шар суміші піску з термореактивним закріплювачем. Під дією тепла плити суміш оплавляється і точно копіює конфігурацію моделі. При подальшому нагріванні модельної плити до 3000С закріплювач твердіє і цементує зерна піску в міцну кірку, яку знімають і скріплюють з верхнею напівформою. Таким чином утворюється тонка оболонкова форма, утворена із двох попередньо скріплених напівформ. Після заливки в цю форму металу, його затвердіння і охолодження, він зберігає конфігурацію моделі, по якій виготовлялись напівформи.

Матеріалом для оболонкових форм служать: кварцеві, цирконієві піски, хроміт і ряд вогнетривких матеріалів, а також граніт з мінімальним вмістом шкідливих домішок. Від зернового складу піску залежить чистота поверхні виливок: чим дрібніший пісок, тим менша шорсткість поверхні виливок. В якості звязки застосовують термореактивну фенолформальдегідну смолу – пульвербакеліт в суміші з уротропіном, який вводиться для прискорення твердіння. При формуванні оболонки під дією теплоти (2000С) пульвербакеліт розплавляється. Товщина оболонки, в якій пульвербакеліт встигає розплавитися і звязати зерна піску між собою залежить від температури модельної плити і часу витримки. В період твердіння оболонки при температурі 3000С пульвербакеліт переходить в тверду незворотну фазу. Кількість пульвербакеліта в піску коливається в межах 5...10% в залежності від зернового складу піску. Для отримання однорідної суміші піску з пульвербакелітом і запобігання пилоутворення застосовують спеціальні зволожувачі, які змочують пісок і утримують частинки смоли на поверхні пісчинок. Такими зволожувачами є керосин, парафін, машинне масло. Кількість зволожувача береться в межах 0,3...1,5% маси суміші.

Щоб утворена оболонка легко відокремлювалася від поверхні моделі і стержневого ящика їх попередньо обробляють спеціальними розчинами. Перш за все декілька раз обезжирують розчинником з проміжковим підігрівом до 150...3000С. Потім робочу поверхню моделі і плити покривають

173

тонким шаром роздільного складу, таким як силіконова рідина (кремнійорганічний склад розчинений в ацетоні або толуолі). Ця рідина утворює на поверхні моделі інертну роздільну плівку, яка не розкладається і не обвуглюється при високій температурі. Також можна застосовувати 3...4% розчин каучуку СКТ в уайт-спирті. Цей розчіплювач наносять на поверхню моделі пульвелізатором(це покриття забезпечує знімання 25...50 оболонок).

Оболонкові форми складають так як і пісчані форми. Напівформи складають по контрольних знаках, які спеціально передбачені в площині з”єднання, яке виконується за допомогою пульвербакеліта чи клею на основі мочевиноформальдегідної смоли.

Модельна оснастка для виготовлення оболонкових форм включає моделі, підмодельні плити, ящики для формування стержнів, пристрої для знімання оболонок з підмодельної плити. Моделі і стержневі ящики виготовляють із сірого чавуну, який добре обробляється, має високу стійкість при поперемінному повторенні нагріву і охолодження, має добрий опір абразивному зносу суміші. Модельну оснастку також можна виготовляти із сталі, алюмінієвих і мідних сплавів. Товщина модельних плит знаходиться в межах 15...20мм, а товщина стінок моделей повинна бути не менша 12мм. Нахили на вертикальних стінках моделі повинні становити 0.5...10 , знакових частинах, елементах ливникової системи і стержневих ящиках 2...50. Модель повинна мати ребра жорсткості товщиною 0,7...1 товщини стінок моделі для запобігання короблення. Частини моделі , які швидко охолоджуються роблять суцільними, а шорсткість поверхні повинна знаходитися в межах Ra= 25...12,5мкм.

Штовхачі для знімання оболонок розміщуються на відстані не менше 3мм від вертикальних стінок по зовнішньому контуру моделі, їх висота відповідає висоті моделі. На 100 см2 площини плити повинно бути один-два штовхачі. Припуски на обробку назначають в межах 0,25...3 мм (коли деталь тільки шліфується 0,25...0.5мм). Нанесення суміші на модель виконують за допомогою обертового бункера або піскодувним способом. Технологічний процес виготовлення оболонкової форми за допомогою обертового бункера наведений на рис. 9.19.

б

монаготвпадмополмо

Рис.9.19а-засипк

бункера модевихідне поло

встВ бункер

дельну плитгрівають до вір бункера 1дає на гарячуделі оболонкложення (ридельна плита

9. Технологічка в бункер тельної плитиоження; д-знітановлення ф1 (рис. 9.19,ту з моделлю200...2500С,

1 (рис.9.19, бу плиту, і на ку товщиноюис.9.19, г), ла з оболонкою

174

чний процес термореактив; в-повертаннімання оболоформи в упако, а) засипаютю ливниковопокривають ). Бункер повпротязі 20...

ю 5...10мм. Плишня неоплю знімається

4

виготовленнявної суміші; бня бункера; гонки з плити;овку; з-отримть термореакої системи 2роздільним вертають на .30 секунд опПотім бункерлавлена сумія, повертаєть

я оболонковоб-встановленнг-повернення е-збирання фмана виливкактивну суміш2 і моделлюскладом і в

1800 (рис. 9.плавляється ір повертаєтьсіш 4 падає ься і розміщу

ої форми: ня в отвір бункера в форми; ж- . ш. Металевую виливки 3вставляють в19, в), суміші нарощує нася в вихіднев бункер, а

ується в іншу

у в ш а е а у

175

піч на 40...50 секунд, де при температурі 2800...3200С проходить кінцеве затвердіння оболонки. Після видалення із печі оболонку-напівформу за допомогою штовхачів 5 (рис. 9.19, д) знімають із плити.

Оболонкові стержні виготовляють наступним чином. Термореактивну суміш засипають в підігріту порожнину металевого ящика. Після утворення на його стінках оплавленої кірки лишню суміш висипають, ящик подають в іншу піч для затвердіння оболонки. Після закінчення цього процесу стержень виймають.Стержні для оболонкових форм виготовляють або суцільними, або оболонковими(полими).

При збиранні форми встановлюють стержень 6 (рис. 9.19, е) в спеціальні впадини на напівформах 7 і 8, суміщають їх за допомогою передбачених виступів і впадин, попередньо наносячи клей по площині роз”єму. Напівформи додатково скріплюють затискачами. На заливання металом мілкі форми поступають без упаковки, а великі встановлюють в металеві ящики і упаковують піском або металевим дробом (рис. 9.19, ж). Ковшем в форму заливають розплав металу.

Вибивання і очистка виливок при литті в оболонкові форми є простою операцією, тому що на виливках відсутній пригар, а ливники і додатки мають малі розміри. В процесі заливання металу в формах вигоряє смола і тому вони легко руйнуються під час видалення виливки (рис. 9.19, з).

Лиття в оболонкові форми можна застосовувати для усіх видів сплавів. При цьому виді лиття набагато знижуються витрати формувальних матеріалів, підвищується точність отриманих виливок (до 12...13го квалітетів), шорсткість поверхні виливок становить Ra=50...3,2мкм, підвищується продуктивність праці і знімання виливок із одиниці площі цеха. Маса виливок в основному становить 5...15кг, в окремих випадках може досягати 100 кг.

Основним недоліком цього виду лиття є зрівняно велика вартість пісчано-смоляних сумішей.

9.5. Лиття в металеві форми (кокілі)

Суть лиття в кокіль заключається в отриманні литих деталей шляхом

вільної заливки розплаву в металеву форму. Металева форма (кокіль) використовується багаторазово і формує конфігурацію і властивості виливки. При цьому пісчана суміш може використовуватися тільки для виготовлення разових стержнів. Також стержні можуть бути металеві. При виготовленні виливок із кольорових металів частіше застосовують металеві стержні, а при виготовлені із чавуну і сталі – пісчані . Модельна оснастка при литті в кокіль включає стержневі ящики, які підігрівають (для виготовлення суцільних або оболонкових стержнів), ящики для холоднотвердіючих стержневих сумішей тощо.

176

Металева форма порівняно з пісчаною має значно більшу теплоємність, теплопровідність, міцність, але не має газопроникності. Кокілі виготовляють із сірого чавуну СЧ18; СЧ20; СЧ25; СЧ30, низьковуглецевих сталей 10 і 20, легованих сталей 15ХМЛ, алюмінієвих сплавів АЛ9, АЛ11, міді. Найбільш відповідальні частини в складних формах виготовляють із жароміцної сталі 45Х14Н14В2М, 40Х10С2М. Стержні для таких форм виготовляють із сталей У7, У8, У10, 30ХГСА.

Товщина стінки кокіля повинні відповідати товщині виливки:

12 6,013 δδ += , де δ 2 – товщина стінки кокіля, мм; δ 1- товщина стінки виливки, мм. Товщина ребер приймається рівна 0,7…0,75 товщини стінки форми, при цьому переходи від товстих стінок до тонких повинні бути плавними.

Кокіль перед початком роботи підігрівають, а його контактуючу (робочу) поверхню фарбують теплоізоляційною фарбою. Литво в кокілі затвердіє в 2…4 рази швидше ніж в пісчаній формі тому, що він швидше акумулює теплоту перегріву і теплоту кристалізації розплаву.

Тривалість затвердіння виливки, а також окремих її частин збільшують, підвищуючи температуру кокіля чи товщину шару фарби, і навпаки.

Виливку вибивають із кокіля ще гарячою при температурі 0,6…0,8 температури солідуса розплаву (0С). Далі вона охолоджується на повітрі чи у спеціальній камері. Кокіль охолоджують чи, навпаки, нагрівають до оптимальної початкової температури 200…3000С. Цикл повторюється. Як правило, температуру кокіля підтримують темпом роботи.

Литтям в кокіль можна отримати прості виливки без внутрішніх порожнин (наприклад, валики) і складні виливки з складними внутрішніми порожнинами і отворами.

Металеві стержні видаляють до виймання із кокіля виливки, коли на їх поверхні утворюється достатньо міцна кірка, а всередені розплав ще може бути в твердо-рідкому стані. Це необхідно для того, щоб у виливці не утворювалися тріщини, внаслідок гальмування усадки стержнем.

Для того щоб можна б було видалити металевий складний стержень його роблять складовим із декількох частин, наприклад, стержень при виготовленні поршня (рис. 9.20)

1-ко

усастепри

вилмо

різПококзагвикплоробчер

Нефоотрнапроз(ризатпот

елесис

корпус кокіляоснова; 4-упо

Пісчані стадку виливокержні застосои очистці охоНайбільше

ливок із чавужуть застосоКокілі нев

занням із попередньо викіля він пргартовують конують череощині роз’ємбочої площирез такі каналПо констр

ероз’ємні кокрми, які можримують в півформ із з’єму. При ис.9.20). В твердіння вилтім його бічнЕлементи

ектрофізичностеми прийм

Рис.9.20.Схя; 2-центральорне кільце; 5

тержні з оргк і нема небовують для уолоджених випоширення

уна, свинцю, овуватися коквеликих розпоковок. Веиливки повироходить скз наступниез пісчані стему виконуютини до зовнішли виходять, укції кокілі кілі застосовужна видалитроз’ємних квертикальноюскладній фданому випливки видалні частини, а пливникової ою і електрохмають більш

177

хема кокіля дьний стержен5-упорна пла

виливка п

ганічними збезпеки, що вутворення дужиливок. отримали чолов’яних і цкілі із низькозмірів відлиликі кокілі,инні пройти кладну термим відпускоержні. Якщо ть риски (газшньої поверха метал в нихможуть бутують для отти без роз’ємкокілях. Воню, горизонтформі металпадку він скляють середнпотім видалясистеми, рохімічною обрше на 25…3

7

для виливки пнь із трьох чаастина; 6-гвинпоршня.

зв’язуючими в виливках вже складних

чавунні кокілцинкових сплвуглецевої стивають, або, як правилстаріння. Дмічну обробом. Вентилятакої можливзовідвідні кахні, глибиноюх не проникати нероз’ємнтримання невму форми. Сни складаюттальною або евий стержекладається іню частину яють і саму виобочі порожнробкою. При 0%, чим дл

поршня: астин (трьохкнт; 7-шайба;

незначно звиникнуть трпорожнин і в

лі, які застославів. Для циталі. о отримуютьло, отримуюДля стабілізабку. Стержняцію металевості немає нанали), які вю не більше ає. ні (витряхні)великих вилиСкладні і велться із двоскладними

ень роблятьіз трьох чатакого стержиливку. нини кокіляцьому перерля таких же

клиновий); 3-8-гайка; 9-

затруднюютьріщини. Таківибивають їх

совують дляих же сплавів

ь обробкоюють литтям.ації розмірівні із сталіевої формина кокілях повідходять від

0,5мм. Гази

) і роз’ємні.ивок простоїликі виливкиох частин –площинами

ь роз’ємнимастин. Післяжня (клина),

я отримуютьріз елементіве виливок в

ь і х

я в

ю . в і и о д и

. ї и – и м я ,

ь в в

178

пісчаних формах. Довжина стояків живильників повинна бути по можливості меншою, щоб запобігати черезмірному охолодженню розплаву.

Розплав можна підводити до виливки різними шляхами: зверху через додаток, колектор або чашу (рис.9.21 а, б) знизу (сифоном) через стояк і живильник (рис 9.21, в); комбіновано (рис.9.21, г) через стояк і живильники, які розміщені ярусами; збоку через живильник в вигляді щілини (рис.9.21, д).

Підвід зверху виконується при відливанні невисоких виливок простої конфігурації із алюмінієвих, магнієвих сплавів і із сірого чавуну. При такій системі зменшуються витрати металу, затвердіння виливки проходить знизу вверх, що забезпечує добре живлення.

Підвід розплаву через стояк знизу забезпечує спокійне заповнення кокіля і видаленням повітря і газів з нього. Стояк роблять зигзагоподібним для гасіння кінетичної енергії струменя розплаву.

Рис.9.21. Способи підводу розплаву в кокіль:

а, б-зверху через додаток, компресор або чашу; в-знизу сифоном; г-через стояк і живильник, які розміщенні ярусами; д-збоку через живильник у

вигляді щілини; 1-додаток; 2-щілина

Недолік сифоного заливання – несприятливі умови виливки і створення направленого затвердіння, так як самий холодний розплав поступає в верхню частину виливки. Цей недолік усувається на комбінованій ливниковій системі тому, що заливка починається через нижній живильник, до рівня

179

верхнього, а потім надходження буде проходити через цей живильник, завдяки чому температура розплаву в верхньої частини виливки буде більш високою чим при сифонному заливанні металу.

При заповненні форми металом через живильник у вигляді щілини, він плавно поступає у форму і забезпечує затвердіння його знизу вверх. Завдяки значному перерізу додатку 1 розплав довго в ньому не затвердіває і через живильник у вигляді щілини 2 підпитує виливку (рис. 9.21).

Співвідношення між елементами ливникової системи для алюмінієвих і магнієвих сплавів рекомендується наступне:

Fст.:Fдод.:Fжив.=1:2:4, де Fст – площа перерізу стояка; Fдод. – площа перерізу додатку; Fжив.-

площа перерізу живильника. Інтенсивність теплообміну між виливкою і кокілем в 3...10раз більша чим

при литті в разові форми, що приводить до отримання мілкозернистої структури. Разом з тим швидке охолодження сплаву знижує свою рідко текучість, що ускладнює отримання тонкостінних, складних виливок. Тому перед заливкою кокіль повинен бути нагрітий до певної температури (100...3000С), в залежності від виду сплаву, який заливається, форми виливки тощо.

Отримання виливок у кокілі складається із підготовки кокіля до роботи і відповідно отримання виливок.

Підготовка кокіля полягає в наступному: обдивляються кокіль, щоб впевнитися у його справності, зчищають фарбу з робочої поверхні, якщо вона ушкоджена. Підігрівають кокіль газовим паяльником (чи заливанням розплаву) до 150...2000С і на робочу (контактну) поверхню наносять пульвелізатором чи пензлем шар кокільної фарби товщиною 0,2...0,6мм Ливникові канали і додатки фарбують більш товстим шаром, щоб уповільнити затвердіння розплаву.

При литті алюмінієвих сплавів отримали поширення фарби слідуючого складу(в % по масі): окис цинку (порошок) – 15, рідке скло – 3...4, вода – 81...82; або подрібнена крейда – 12, рідке скло – 3, графіт – 6, вода – 79; і оксид цинку – 5, графіт – 1, вода – 94. При литті магнієвих сплавів: тальк – 8, борна кислота – 5, рідке скло – 3, вода – 84. При литті чавунних сплавів: кварцева мука – 9, рідке скло – 4, вода – 87. Для чавунних сплавів на робочу поверхню кокіля, який нагрітий до 2000С наносять шар фарби (товщиною 0,2…1мм) , а потім шар копоті.

Отримання виливок в кокілі полягає в слідуючому: складаємо кокіль і скріплюємо його частини за допомогою гвинта 6, гайки 8 (рис.9.20). Заповнюють розплавом кокіль через верхню відкриту частину. Дають виливці затвердіти, видаляють стержні. Головний центровий стержень складається із трьох частин. Перш за все перевертають кокіль і знімають основу 3 і замінюють її упорним кільцем 4 з упорною пластиною 5. Накручуючи гайку 8 на гвинт 6 видаляють вверх середню частину стержня 2,

180

який називається клином, потім відводячи до центру вверх видаляють бокові частини. Потім із корпуса видаляють виливку. Виливка поршня після відокремлення від неї стержня і видалення із корпуса показано на рис. 9.20 під номером 9.

Завдяки інтенсивності теплообміну між виливкою і кокілем виливка отримується більш щільною з дрібнозернистою структурою.

Чавунні виливки, як правило, отримують з відбіленим зовнішнім шаром . Їх необхідно відпалювати.

Важко отримати в кокілях фасонні стальні виливки, тому що з підвищенням інтенсивності теплообміну збільшується ймовірність утворення тріщин в сталі, а також внаслідок низької стійкості (200…300 заливів).

Кокіль застосовують тоді, коли тільки в кокілі можливо отримати виливку, яка відповідає технічним умовам. Приклади: чавунні валки для прокатування з відбіленим твердим поверхневим шаром можна отримати тільки в кокілі; щільні без усадкових пористостей, з підвищеними властивостями виливки з алюмінієвих сплавів отримують в кокілях (наприклад, поршні).

Кокіль застосовують, якщо витрати виробництва на виготовлення готової деталі з урахуванням вартості кокіля, зниження витрат металу в стружку і зниження витрат на обробку менші ніж при литті в разові пісчані форми. Звичайно застосовують кокіль, коли партія виливок більше 300-500 штук.

181

Література.

1. Справочник технолога машиностроителя. В 2Т: Т.1/Под ред.

Косиловой А.Г. и Мещерякова Р.К.-М.: Машиностроение, 1985.-656с. 2. Справочник технолога машиностроителя. В 2Т: Т.2/Под ред.

Косиловой А.Г. и Мещерякова Р.К.-М.:Машиностроение, 985.-496с. 3. Дриц М.Е., Москалев И.А.,Технология конструкционних материалов

и материаловедение.-М.: Выс.шк.,1990.-440с. 4. Казаков Н.Ф.,Осокин А.М.,Шишкова А.П.Технология металлов и

других конструкционных материалов.М.: металлургия, 1975.-688с. 5. Гелин Ф.Д. Металлические материалы, Справочник.-Минск.:

Вышэйшая школа, 1987.-366с. 6. Конорозов Б.В., Усова П.Ф.,Третьяков А.В. и др. Технология

металлов и материаловедение.-М.: металлургия, 1987.-800с. 7. Беккерт М. Мир метала.-М.: Мир, 1980.-148с. 8. Скобников К.М., Глазов Г.А., Петраш Л.В и др.Технология металлов

и других конструкционних материалов. – Ленинград.: Машиностроение, 1972.-520с.

9. Рыбкин В.А. Ручное изготовление литейных форм. – М.:Высшая школа, 1986.-197с.

10. Емельянова А.П. Технология литейной формы. – М.: Машиностроение, 1986.-222с.

11. Короливницкий Н.Н., Кучер А.М., Пугачева Р.В и др. Технология металлов. – М. мамгиз, 1965.-500с.

12. Волчок Н.П., Плескач В.М., Аверченко Л.А и др.Технология конструкционных материалов .-Киев. Выща школа, 1990.-150с.

13. Прейс Г.А.,Сологуб., Рожнецкий И.А и др. Технология конструкционных материалов.- Киев. Выща школа, 1984.-352с.

14. Никифоров В.М. Технология металлов и конструкционные материалы.-Ленинград. Машиностроение, 1987.-360с.

15. Рубцов Н.Н., Балабин В.В.,Воробьев М.И. Литейные формы.-М. Машчиз, 1959.-554с.

16. Осталенко Н.Н., Кропивницкий Н.Н. Технология металлов.-М.Выща школа,1970.-344с.

М

ПіПаДрУмЗа

МАТЕРІКОН

ідписано доапір друковрук трафарм.-друк. Арам. _______

Н

ВолодимиМико

ІАЛОЗННСТРУК

(МЕТАВИ

Н

о друку Фований №1 Гетний. рк. 9.1. Тир__________

182

Навчальне

ир Леопольола Михайл

НАВСТВКЦІЙНИАЛУРГІЯИРОБНИ

Навчальни

ормат 60*84Гарнітура _

раж ________

2

видання ьдович Пахлович Марч

ВО ТА ТИХ МАТЯ, ЛИВАИЦТВО

ий посібн

4 1/16 __________

___ примір

харенко чук

ТЕХНОЛТЕРІАЛАРНЕ О)

ик

_

рників

ЛОГІЯ ЛІВ